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Biofisica

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Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca

EL DOCUMENTO TITULADO BIOPHYSICAL SCIENTIAM AYUDARA A COMPRENDER LOS CONOCIMIENTOS BIOFISICOS Y SU APLICACION A LA MEDICINA, EL TEXTO PRETENDE ABARCAR CON FACILIDAD ESTA CATEDRA DEBIDO A SU DESCRIPCION SE PODRA APORTAR AL ESTUDIANTE CON UNA BASE SOLIDA.

Salud y medicina
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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS “CARRERA DE MEDICINA” BIOPHYSICAL SCIENTIAM AUTOR: JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA PERIODO LECTIVO 2018 – 2019
2 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Introducción La biofísica es un puente entre la biología y la física. La biología estudia la vida en su variedad y complejidad. Describe cómo los organismos van obteniendo comida, comunicándose, percibiendo el ambiente y reproduciéndose. Por otro lado, la física busca las leyes matemáticas de la naturaleza y hace predicciones detalladas sobre las fuerzas que impulsan los sistemas idealizados. Alcanzar la distancia entre la complejidad de la vida y la simplicidad de las leyes físicas es el desafío de la biofísica. Buscar los patrones en la vida y analizarlos con las matemáticas y la física es una manera poderosa de obtener ideas. La biofísica busca principios que describan patrones. Si los principios son poderosos, hacen predicciones detalladas que pueden ser probadas.
3 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA AGRADECIMIENTO Agradecer hoy y siempre a mi familia en especial a mi madre, fiel vigía de los esfuerzos del día a día en estos estudios superiores pero como dejar fuera a mis otros familiares que están cuando más lo necesito, sin olvidar a mis compañeros de aulas aquellos con los que comparto mi vida académica.
4 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA DEDICATORIA Dedico este proyecto a padres por ser acompañantes para cada uno de mis pasos dados en mi convivir diario y por ser los guía en el sendero de cada acto que realizo hoy, mañana y siempre y con una especial devoción mi abuela que a pesar de la distancia parece que estuviera a mi lado trabajando.
5 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Contenido Introducción............................................................................................................................. 2 AGRADECIMIENTO................................................................................................................... 3 DEDICATORIA .......................................................................................................................... 4 PRINCIPIOS DE LA BIOFÍSICA......................................................................................... 12 ¿Qué es la biofísica? .......................................................................................................... 12 SISTEMAS ........................................................................................................................ 13 RAMAS DE LA BIOFÍSICA ............................................................................................ 14 La formación del universo y el origen de la vida................................................................... 17 La biofísica y la medicina moderna....................................................................................... 19 La ciencia : Método Científico............................................................................................... 20 Estructura de la materia: El Electrón, Protón ,Neutrón y Positrón ....................................... 23 Niveles de organización de la materia, hasta el cuerpo humano............................................ 26 Niveles de organización de los seres vivos............................................................................ 28 Clasificación de los compuestos químicos............................................................................. 29 Tabla periódica....................................................................................................................... 31 Estados de la materia: solido, líquido y gaseoso.................................................................... 37 Elasticidad y resistencia de los tejidos humanos.................................................................... 47 Magnitudes y medidas ........................................................................................................... 48 Las unidades medidas más utilizadas en la medicina. .......................................................... 48 Materia y energía ................................................................................................................... 49 Las leyes de la Termodinámica y su relación con los seres vivos incluidos los seres humanos. ............................................................................................................................................... 49 SEGUNDA UNIDAD........................................................................................................... 61 MAGNITUDES Y MEDIDA.................................................................................................... 61 MAGNITUD, CANTIDAD Y UNIDAD..................................................................... 61 La medida como comparación.................................................................................... 62 Tipos de magnitudes. ................................................................................................... 62 Algunas Operaciones Con Vectores. .......................................................................... 62 SISTEMAS DE UNIDADES....................................................................................... 63 EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)........................................ 64
6 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Fuerza............................................................................................................................ 67 Energía.......................................................................................................................... 68 El concepto de energía en física. ................................................................................. 68 Física clásica. ................................................................................................................ 70 Física relativista. .......................................................................................................... 71 LEYES DE NEWTON............................................................................................................. 72 Fundamentos teóricos de las leyes. ............................................................................. 73 PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE LA INERCIA..................................... 74 SEGUNDA LEY DE NEWTON O LEY DE FUERZA............................................ 74 TERCERA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN. ... 77 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE LOS MATERIALES. ........................................................... 77 Resistencia. ................................................................................................................... 78 Enfoque de la resistencia de materiales. .................................................................... 78 Hipótesis cinemática. ................................................................................................... 80 Hipótesis cinemática en elementos lineales................................................................ 80 Hipótesis cinemática en elementos superficiales ....................................................... 81 RESISTENCIA Y ESTRUCTURA DE LOS HUESOS................................................................... 82 Composición y estructura de los huesos: ....................................................................... 82 LA CONTRACCIÓN MUSCULAR........................................................................................... 83 Biomecánica de la marcha........................................................................................... 84 Biomecánica de la fase de apoyo de la marcha.......................................................... 84 LOS FLUIDOS. ..................................................................................................................... 86 LA LEY DE STOKES. ................................................................................................ 86 LA ESTÁTICA DE FLUIDOS. .................................................................................. 87 PRINCIPIO DE PASCAL........................................................................................... 88 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES ............................................................................... 88 VISCOSIDAD SANGUÍNEA Y PERFILES DE FLUJO................................................................. 89 FLUJO SANGUÍNEO............................................................................................................. 89 VALORES NORMALES EN EL HUMANO............................................................ 90 Índice cardíaco. ............................................................................................................ 90 Función fisiológica......................................................................................................... 90 Medición........................................................................................................................ 91 Flujo, presión y resistencia.......................................................................................... 91 Fluido ideal. .................................................................................................................. 91
7 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA LEY DE POISEUILLE. .............................................................................................. 92 HEMODINÁMICA................................................................................................................ 93 Participantes de la circulación sanguínea.................................................................. 93 Circulación mayor o circulación somática o sistémica. ............................................ 94 Circulación menor o circulación pulmonar o central............................................... 95 Fases del ciclo cardiaco................................................................................................ 95 Las presiones intracardiacas....................................................................................... 95 1. Principio de Fick. ..................................................................................................... 97 2) Métodos de dilución................................................................................................. 98 Presión en el sistema circulatorio. Presión sanguínea .............................................. 98 Tensión arterial y flujo sanguíneo.............................................................................. 99 MECÁNICA CIRCULATORIA. ............................................................................. 101 CICLO CARDIACO ................................................................................................. 103 Leyes de la velocidad y de la presión .............................................................................. 104 LEY DE VELOCIDAD ............................................................................................. 104 LEY DE LAS PRESIONES ...................................................................................... 105 FORMULAS DE PRESION ..................................................................................... 106 PRESION ARTERIAL MEDIA............................................................................... 106 PRESION DEL PULSO ............................................................................................ 106 Volumen minuto circulatorio y circulación sistémica. .................................................... 106 Regulación del gasto cardiaco................................................................................... 107 Regulación de la frecuencia (efectos cronotrópicos)............................................... 107 Regulación del volumen sistólico (efectos inotrópicos)........................................... 107 Regulación extrínseca del volumen sistólico............................................................ 108 ¿CÓMO SE CLASIFICA UN CORAZÓN ARTIFICIAL?................................... 109 FUNCIONAMIENTO. .............................................................................................. 110 SISTEMA NERVIOSO, SISTEMA BIOELÉCTRICO................................................................. 110 ELECTRODIAGNÓSTICO Y ELECTROTERAPIA........................................... 112 Electroterapia............................................................................................................. 112 SEGUNDA UNIDAD .............................................................................................................. 114 MAGNITUDES Y MEDIDA.................................................................................................. 114 MAGNITUD, CANTIDAD Y UNIDAD............................................................................. 114 La medida como comparación.................................................................................... 114 Tipos de magnitudes. .................................................................................................. 115
8 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Algunas Operaciones Con Vectores............................................................................ 115 SISTEMAS DE UNIDADES............................................................................................. 115 EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)........................................................ 116 Fuerza........................................................................................................................... 118 Energía......................................................................................................................... 119 El concepto de energía en física.................................................................................. 119 Física clásica................................................................................................................. 121 Física relativista........................................................................................................... 121 LEYES DE NEWTON........................................................................................................... 122 Fundamentos teóricos de las leyes............................................................................. 123 PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE LA INERCIA....................................................... 123 SEGUNDA LEY DE NEWTON O LEY DE FUERZA. .......................................................... 124 TERCERA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN. ........................... 125 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE LOS MATERIALES. ......................................................... 126 Resistencia................................................................................................................... 126 Enfoque de la resistencia de materiales..................................................................... 127 Hipótesis cinemática. .................................................................................................. 128 Hipótesis cinemática en elementos lineales. ............................................................. 128 Hipótesis cinemática en elementos superficiales ...................................................... 129 RESISTENCIA Y ESTRUCTURA DE LOS HUESOS................................................................. 129 Composición y estructura de los huesos: .................................................................... 129 LA CONTRACCIÓN MUSCULAR......................................................................................... 130 Biomecánica de la marcha. ......................................................................................... 131 Biomecánica de la fase de apoyo de la marcha. ........................................................ 131 LOS FLUIDOS. ................................................................................................................... 132 LA LEY DE STOKES........................................................................................................ 132 LA ESTÁTICA DE FLUIDOS............................................................................................ 133 PRINCIPIO DE PASCAL. ................................................................................................ 134 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES ....................................................................................... 134 VISCOSIDAD SANGUÍNEA Y PERFILES DE FLUJO............................................................... 135 FLUJO SANGUÍNEO........................................................................................................... 135 VALORES NORMALES EN EL HUMANO....................................................................... 135 Índice cardíaco............................................................................................................. 135 Función fisiológica....................................................................................................... 136
9 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Medición...................................................................................................................... 136 Flujo, presión y resistencia.......................................................................................... 136 Fluido ideal. ................................................................................................................. 137 LEY DE POISEUILLE....................................................................................................... 137 HEMODINÁMICA.............................................................................................................. 138 Participantes de la circulación sanguínea. ................................................................. 138 Circulación mayor o circulación somática o sistémica............................................... 139 Circulación menor o circulación pulmonar o central. ................................................ 139 Fases del ciclo cardiaco. .............................................................................................. 140 Las presiones intracardiacas. ...................................................................................... 140 1. Principio de Fick....................................................................................................... 141 2) Métodos de dilución. .............................................................................................. 142 Presión en el sistema circulatorio. Presión sanguínea............................................... 142 Tensión arterial y flujo sanguíneo .............................................................................. 143 MECÁNICA CIRCULATORIA.......................................................................................... 144 CICLO CARDIACO ......................................................................................................... 145 Leyes de la velocidad y de la presión............................................................................... 147 LEY DE VELOCIDAD ...................................................................................................... 147 LEY DE LAS PRESIONES ................................................................................................ 148 FORMULAS DE PRESION.............................................................................................. 148 PRESION ARTERIAL MEDIA.......................................................................................... 149 PRESION DEL PULSO.................................................................................................... 149 Volumen minuto circulatorio y circulación sistémica...................................................... 149 Regulación del gasto cardiaco..................................................................................... 149 Regulación de la frecuencia (efectos cronotrópicos)................................................. 150 Regulación del volumen sistólico (efectos inotrópicos) ............................................ 150 Regulación extrínseca del volumen sistólico.............................................................. 152 CORAZONES ARTIFICIALES. .............................................................................................. 152 ¿CÓMO SE CLASIFICA UN CORAZÓN ARTIFICIAL? ...................................................... 152 FUNCIONAMIENTO...................................................................................................... 153 SISTEMA NERVIOSO, SISTEMA BIOELÉCTRICO................................................................. 154 ELECTRODIAGNÓSTICO Y ELECTROTERAPIA............................................................... 155 Electroterapia.............................................................................................................. 155 Tipos de corriente y efectos de la electricidad en los seres vivos. .................................. 156
10 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA ................................................................................ 156 EFECTOS QUE PROVOCA LA ELECTRICIDAD Y PARA QUÉ LA USAMOS...................... 157 Efectos de los campos electromagnéticos sobre órganos y sistemas. ............................ 160 ¿Qué ocurre cuando nos exponemos a campos electromagnéticos? ....................... 160 Efectos sobre el embarazo.......................................................................................... 161 Cataratas...................................................................................................................... 161 Campos electromagnéticos y cáncer. ......................................................................... 161 Hipersensibilidad a los campos electromagnéticos y depresión............................... 162 Iones en repolarización de membrana. Fisiología de la membrana................................ 162 REPOLARIZACIÓN: ....................................................................................................... 162 FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA .................................................................................. 164 GRADIENTE ELECTROQUIMICO................................................................................... 164 PERMEABILIDAD SELECTIVA........................................................................................ 165 TERCERA UNIDAD................................................................................................................ 166 EL APARATO RESPIRATORIO ............................................................................................ 166 EN EL SER HUMANO .................................................................................................... 167 CONTROL DE LA VENTILACIÓN.................................................................................... 168 ADAPTACIÓN A ALTURAS............................................................................................ 170 INTERCAMBIO DE GASES............................................................................................. 171 PRESIONES RESPIRATORIA............................................................................................... 172 MECANICA VENTILATORIA.......................................................................................... 174 DIMENSIONES DEL FUELLE: VOLUMENES Y CAPACIDADES ....................................... 175 FACTORES QUE FAVORECEN O SE OPONEN AL COLAPSO PULMONAR..................... 177 TRABAJO RESPIRATORIO............................................................................................. 178 VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONAR...................................................................... 179 VOLUMEN RESIDUAL................................................................................................... 179 CAPACIDAD VITAL ....................................................................................................... 180 VOLUMEN RESIDUAL Y CAPACIDAD RESIDUAL FUNCIONAL ..................................... 181 CAPACIDAD INSPIRATORIA......................................................................................... 182 MUSCULOS RESPIRATORIOS:...................................................................................... 185 EVALUACION DE LA FUNCION MUSCULAR RESPIRATORIA........................................ 188 RESISTENCIAS VENTILATORIAS ................................................................................... 190 DETERMINANTES DE LA ELASTICIDAD PULMONAR Y TORACICA .............................. 190 MEDICION DE LA ELASTICIDAD Y DISTENSIBILIDAD................................................... 191
11 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Estructura fibroelástica del pulmón ........................................................................... 193 TENSION SUPERFICIAL................................................................................................. 193 RESISTENCIA DE LA VIA AEREA (RVA)......................................................................... 196 DISTRIBUCION DE LA RESISTENCIA EN LA VIA AEREA................................................ 196 RESISTENCIA DE LA VIA AEREA Y VOLUMEN PULMONAR ......................................... 198 CURVA FLUJO-VOLUMEN............................................................................................ 202 VOLUMENES RESIDUALES ........................................................................................... 203 COMPARACIÓN CAPACIDAD VITAL LENTA Y FORZADA............................................. 203 VOLUMEN ESPIRATORIO FORZADO DEL PRIMER SEGUNDO (VEF1).......................... 203 FLUJO ESPIRATORIO FORZADO ENTRE EL 25 Y 75% DE LA CAPACIDAD VITAL FORZADA O FLUJO MAXIMO DE MEDIA ESPIRACION................................................................. 205 FORMAS QUÍMICAS EN QUE SE TRANSPORTA EL CO2. ............................................. 206 Unidad respiratoria ..................................................................................................... 208 Membrana respiratoria............................................................................................... 208 Regulación de la actividad del centro respiratorio .................................................... 208 Regulación de la actividad del centro respiratorio y Vitalometria............................ 209 Sonido, Audición y Ondas sonoras................................................................................... 209 SONIDO........................................................................................................................ 209 AUDICIÓN. ................................................................................................................... 210 FÍSICA DEL SONIDO...................................................................................................... 210 PROPAGACIÓN DEL SONIDO (ONDAS SONORAS) ...................................................... 210 MAGNITUDES FÍSICAS DEL SONIDO............................................................................ 211 VELOCIDAD .................................................................................................................. 212 ENERGÍA SONORA ....................................................................................................... 212 LAS CUALIDADES DEL SONIDO.................................................................................... 214 VOZ HUMANA.............................................................................................................. 214 LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.................................................................. 215 LA LUZ COMO FENÓMENO ONDULATORIO................................................................ 216 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.................................................................. 218 CONCEPTOS RELATIVOS A LA LUZ. COLOR ................................................................. 222 LA FÍSICA DEL COLOR................................................................................................... 223 PROPIEDADES DE LA LUZ............................................................................................. 225 Sistema visual humano ............................................................................................... 227 Distribución de los fotorreceptores en el ojo................................................................. 227
12 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA ELEMENTOS DE LA FÍSICA NUCLEAR ........................................................................... 228 ......................................................................................................................................... 230 PRINCIPIOS DE LA BIOFÍSICA ¿Qué es la biofísica? La Biofísica es una sub-disciplina de la Biología que estudia los principios físicos subyacentes a todos los procesos de los sistemas vivientes. La biofísica es una ciencia reduccionista porque establece que todos los fenómenos observados en la naturaleza tienen una explicación científica predecible. Si nosotros no podemos explicar algunos fenómenos en la actualidad no se debe a que estos no tengan una explicación científica, sino que nosotros aún no tenemos los implementos necesarios para estudiar las causas subyacentes a esos fenómenos aún inexplicables. (Nahle, 2008) La vida es una función de estado que depende de procesos estocásticos a nivel microscópico (principios microfísicos) y determinísticos a nivel macroscópico (principios macrofísicos). Un sistema estocástico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes al azar. Un sistema determinístico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes reconocibles. Ambos tipos de procesos son los sujetos de estudio de la biofísica. (Nahle, 2008) La biofísica no es una rama de la física, sino de la biología. Hago esta aclaración porque en muchos libros de biofísica se dice que la biofísica estudia los fenómenos físicos que determinan los procesos vivientes o que la biofísica es el estudio de los fenómenos biológicos desde el punto de vista de la física, lo cual es erróneo. La biofísica explica los fenómenos biológicos aplicando los principios fundamentales de la naturaleza. (Nahle, 2008) Por ejemplo, la biofísica estudia los cambios de polaridad en los microtúbulos de un Paramecium, o la transferencia de energía de una partícula a otra dentro del complejo motor molecular conocido como ATP sintetasa, o la mecánica del esqueleto humano, o la dinámica de fluidos en un saltamontes, etc.Por supuesto, la biofísica se fundamenta
13 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA en los estudios proporcionados de la física; por ello, decimos que la biofísica es una ciencia interdisciplinaria. (Nahle, 2008) SISTEMAS En general, un sistema es una cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios. (Nahle, 2008) En biofísica, al igual que en termodinámica y mecánica cuántica, un sistema es un agregado de elementos incluidos entre límites reales o imaginarios. La diferencia entre ambos conceptos de sistema es que en el primero el sistema es tan solo un conglomerado de masa, mientras que el concepto biofísico incluye a los agregados de materia y a los elementos que constituyen un proceso dentro de límites estructurales y/o correspondientes a la fase espacio-tiempo. (Nahle, 2008) Un sistema termodinámico es aquél que puede intercambiar calor y energía con el ambiente. Los seres vivos son esencialmente sistemas termodinámicos. Por ejemplos, una hormiga es un sistema formado por moléculas, en tanto que sus funciones nerviosas es un sistema formado por una secuencia ordenada de procesos microfísicos. (Nahle, 2008) Los sistemas pueden clasificarse en los siguientes tipos: ➢ Sistemas abiertos, los cuales intercambian materia y energía con el ambiente. ➢ Sistemas cerrados, los cuales solamente intercambian energía con el ambiente, pero no materia. ➢ Sistemas aislados, los cuales no intercambian energía y materia con el ambiente. Estos sistemas son idealizados y no existen en el mundo real. Los seres vivientes son sistemas abiertos porque intercambian materia y energía con el ambiente. (Nahle, 2008) Existe un falso concepto sobre el sistema terrestre porque algunos autores han escrito que la Tierra es un sistema cuasi-cerrado, es decir que “casi” no intercambia materia con el espacio sideral. Esto es un error conceptual porque por más pequeña que sea la
14 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA cantidad de materia que el sistema intercambie con su entorno, el sistema será un sistema abierto. No existen sistemas casi cerrados en la naturaleza ni en las formulaciones matemáticas. (Nahle, 2008) RAMAS DE LA BIOFÍSICA Las ramas de la biofísica son las siguientes: Biomecánica: Estudia la mecánica del movimiento en los seres vivientes; por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el equilibrio anatómico, la mecánica de los fluidos corporales, la fabricación de prótesis móviles, etc. (Nahle, 2008) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https//:institutovalencianodelpie.es/biomecanica/ Bioelectricidad: Estudia los procesos electromagnéticos y electroquímicos que ocurren en los organismos vivientes así como también los efectos de los procesos electromagnéticos abióticos sobre los seres vivientes; por ejemplo, la transmisión de los impulsos neuroeléctricos, el intercambio iónico a través de las biomembranas, la generación biológica de electricidad (anguilas, rayas, etc.), la aplicación de la electrónica en biomedicina, etc. (Nahle, 2008)
15 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : http://revistasaludenarmonia.com/bioelectricidad/ Bioenergética (termodinámica biológica): Se dedica al estudio de las transformaciones de la energía que ocurren en los sistemas vivientes; por ejemplo, la captura de energía por los biosistemas, la transferencia de energía desde y hacia el entorno del biosistema, el almacenamiento de energia en la célula, etc. (Nahle, 2008) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : http://www.mantra.com.ar/contterapiasalternativas/bioenergetica.html Bioacústica: Investiga y aplica la transmisión, captación y emisión de ondas sonoras por los biosistemas. (Nahle, 2008)
16 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Shemberetskaya Alexandra Yuryevna blog Biofotónica: Estudia las interacciones de los biosistemas con los fotones; por ejemplo, la visión, la fotosíntesis, etc (Nahle, 2008). La biofotónica es la ciencia encargada del uso de la luz en aplicaciones biológicas y médicas para estudiar procesos orgánicos de manera no invasiva con el fin de conocer cómo éstos son afectados por la luz; así como para el diagnóstico y tratamiento de ciertas enfermedades. Presentamos una breve introducción a la biofotónica centrándonos en tres aplicaciones que estamos desarrollando en el INAOE: 1) terapia fotodinámica, 2) pinzas ópticas y, 3) visualización de vasos sanguíneos con moteado láser. (Rubén Ramos García, 2016)
17 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://www.revistaciencia.amc.edu.mx/images/revista/67_3/PDF/Biofotonica.pdf Radiobiología: Estudia los efectos biológicos de la radiación ionizante y la no ionizante y sus aplicaciones en las técnicas biológicas de campo y de laboratorio. (Nahle, 2008) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente: https://grupo2rbrp.wordpress.com/2012/02/14/tipos-de-decaimiento-radiactivo/ La formación del universo y el origen de la vida La formación del universo EL BIG BANG En Estrasburgo, en 1918, el astrónomo Karl Wirtz midió el desplazamiento sistemático hacia el rojo en la luz procedente de algunas nébulas y lo llamó K-correction aunque sin advertir las implicaciones cosmológicas que tenía su hallazgo. En 1927 el jesuita belga Georges Lemaître fue el primero en proponer que el universo había comenzado con la “explosión” de un “átomo Prístino”. En 1929, y basándose en la teoría de la relatividad, el astrónomo Edwin Hubble proveyó evidencia para soportar la hipótesis de Lemaître. La nueva tecnología permitió mediciones
18 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA precisas y cálculos que parecían imposibles. Hoy el “Big Bang” es el modelo estándar del origen del universo y sostiene que éste comenzó cuando un solo punto de materia infinitamente densa y caliente explotó en forma espontánea. Se cree que el punto era más pequeño que la cabeza de un alfiler y que explotó en un enorme borbotón de energía. De los desechos de esa explosión se formaron todas las galaxias, estrellas y planetas. Se cree que este evento que los astrofísicos llaman una “singularidad”, ocurrió en un momento hace unos quince mil millones de años. Las investigaciones que condujeron a la formulación actual del modelo fueron iniciadas por los astrónomos Arno Penzias y Robert Wilson (1964) cuando intentaban detectar microondas del espacio exterior. Accidentalmente descubrieron un ruido de origen extraterrestre. Lo extraño era que el ruido parecía provenir de todas las direcciones al mismo tiempo. Resultó obvio entonces que lo que se oía era radiación de todos los confines del universo que había quedado como residuo del Big Bang (D’Antoni, 2005) Creacionismo Al conjunto de creencias, inspiradas en doctrinas religiosas, según las cuales la Tierra y cada ser vivo que existe actualmente proviene de un acto de creación por uno o varios seres divinos, cuyo acto de creación fue llevado a cabo de acuerdo con un propósito divino. Durante la Edad Media, y hasta la actualidad, el término «creacionismo» ha servido en Teología para designar una de dos interpretaciones alternativas para el origen del alma personal, que cada alma es objeto de un acto especial de creación por Dios El propio Darwin usó en su correspondencia el término «creacionista» para referirse a sus opositores Durante mucho tiempo, época conocida como creacionismo clásico, el término no fue usado de manera general para designar la oposición al evolucionismo darwinista, que se designaba en otras formas. En 1929 el biólogo Harold W. Clark, un adventista del Séptimo Día, describió como Dr. Cecil Flores Balseca Página 9 creacionista la obra de su maestro George McCready Price en el título de un libro auto publicado. Durante algún tiempo el término sirvió para describir tanto a los teístas evolucionistas y a los fundamentalistas bíblicos que, como los dos autores citados, defendían la literalidad bíblica desde sus títulos universitarios en ciencias. (D’Antoni, 2005)
19 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA El origen de la vida La vida en nuestro planeta es toda la evidencia tangible de vida que tenemos. Es interesante analizarla desde la perspectiva de la Astrobiología. En primer término, nuestro planeta se formó a una distancia del Sol que le permite tener agua líquida, que se considera conditio-sine-qua-non para la vida. El origen de la vida puede fijarse en el momento en que las interacciones entre materia y energía produjeron sistemas autocatalíticos que pasan información de una generación a otra. PANSPERMIA En el siglo XIX, cuando la teoría cosmológica del estado estable estaba de moda, Lord Kelvin, Svante Arrhenius y otros grandes científicos creían que la transferencia de la vida de un planeta a otro era inevitable dadas la extensión y duración infinita del universo. Esta hipótesis se llamó Panspermia. En el siglo XX, el colosal desarrollo de la Biología y más tarde la idea del Big Bang hicieron olvidar a la Panspermia y los esfuerzos científicos se concentraron en el origen de la vida en la Tierra. Los experimentos de Urey y de Miller en los Estados Unidos, los de Oparin en la Unión Soviética y en NASA (D’Antoni, 2005) La biofísica y la medicina moderna La Biofísica está detrás de grandes avances en la práctica médica en general y quirúrgica en particular. Cita como ejemplos las técnicas de imagen, la fibra óptica, los bisturís de alta energía, o los órganos artificiales. En su opinión, en todos estos avances la Biofísica ha jugado y juega un papel fundamental. Él mismo vivió en primera persona esta fructífera relación durante su etapa como director del Hospital Gregorio Marañón, cuando puso en marcha una unidad avanzada de imagen cardiaca. El académico pronostica que todavía hay grandes avances por llegar, consecuencia de desarrollos biofísicos más recientes, como la microscopía óptica de alta resolución, galardonada con el Premio Nobel de Química de 2014. Bromeando, pero sólo en parte, se aventura a proponer que “la cirugía es un arte que desaparecerá en poco tiempo” como consecuencia de todos esos avances.La relación entre la Biofísica y la Medicina en España. En nuestra conversación, sale a menudo a colación que en España la comunicación entre disciplinas es difícil. Considera que en nuestro país faltan centros con masa crítica que faciliten la discusión entre personas con distinta experiencia. Y pone como ejemplo a imitar el Santa Fe Institute de Nuevo México, donde durante 30
20 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA años se ha posibilitado que pensadores con distinta formación interaccionen para intentar solucionar cuestiones complejas, como el comportamiento humano o la dinámica de la materia viva, y todo ello dejando a un lado las disciplinas tradicionales. Considera que el problema al que nos enfrentamos en España no viene tanto de la falta de recursos como de la voluntad de acercarnos a otros nichos del saber. Por ejemplo, en Estados Unidos es fácil encontrar estudiantes de medicina con interés por técnicas biofísicas; en España eso es mucho más raro. A los pocos que hay, el catedrático emérito les recomienda saltarse algunas de sus clases de la Facultad de Medicina, y acudir en su lugar a otras facultades: Matemáticas, Física, etc. Aboga por la especialización, pero siempre manteniendo la mente abierta para poner la experiencia adquirida en un contexto más amplio. El futuro. Según García Barreno, no podemos cometer el error de convertir la interdisciplinariedad en nuevas disciplinas. ¡Las disciplinas han muerto! Cita como ejemplo a seguir a Erez Lieberman Aiden, un científico de éxito que sin embargo no pertenece a ninguna disciplina, sino a los problemas que decide estudiar. De hecho, defiende la necesidad de un cambio estructural de la Universidad, en el que las facultades desaparezcan y dejen paso a unidades de investigación enfocadas hacia problemas concretos. En lo que respecta a la Biofísica, pronostica que su contribución será clave para avanzar en los retos científicos actuales, como la Biología Sintética, el Conectoma Cerebral, o la Ingeniería de la Biosfera. Sin embargo, también advierte del peligro al que se enfrenta: convertirse en una disciplina más. De hecho, su recomendación es que abandonemos el término Biofísica. “El peligro de las palabras es que tienen mucha fuerza y nos encorsetan”. Y concluye: “Los biofísicos sois más que eso”. (Cebollada, 2016) La ciencia : Método Científico La ciencia es el conjunto coordinado de explicaciones sobre el porqué de los fenómenos que observamos o sea, de las causas de esos fenómenos. Para construir la ciencia se investigan las causas y determina su ordenamiento. Este es el proceso de investigación que se define cómo: · Racional o reflexivo · En constante evolución y perfeccionamiento
21 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA · Busca resultados concretos · Sigue métodos controlados Por ciencia se puede entender cómo un proceso como un resultado en cuanto proceso, la ciencia es la aplicación del llamado método científico a la investigación de algún sector de la realidad. En cuanto resultados, la ciencia es un conjunto de conocimientos; racionales, sistemáticos, controlados y falibles. (OVIEDO, 2007) El método científico como "camino a seguir mediante una serie de operaciones, reglas y procedimientos fijos de antemano de manera voluntaria y reflexiva, para alcanzar un determinado fin que puede ser material o conceptual" reúne las siguientes características: a. Es Fáctico en el sentido de que los hechos son su fuente de información y respuesta. b. Trasciende los hechos c. Se atiene a reglas metodológicas d. Se vale de la verificación empírica e. Es auto correctivo y progresivo f. Sus formularios son de tipo general g. Es objetivo Gracias a la ciencia el hombre ha alcanzado una detallada reconstrucción del mundo a su manera más amplia perfecta e íntimamente. Por medio a ella el hombre somete a la naturaleza a sus necesidades transformándola así a un ambiente creado por el a la vez artificial en la cual actividades como investigación y la creación. (OVIEDO, 2007) Definiciones: El término ciencia deriva del latín SCIRE que significa saber, conocer, pero el verbo
22 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA latino SCIRE más que al saber alude a una forma de saber y a la acumulación de conocimiento. (OVIEDO, 2007) Algunas definiciones de ciencia son las siguientes: 1. Es el conjunto de ideas o cuerpo de ideas que el hombre crea en un mundo artificial, la cual surge por tratar de entender la naturaleza del mundo. 2. Es el conjunto coordinado de explicaciones sobre el porqué de los fenómenos que observamos, o sea, de las causas de esos fenómenos. ´ 3. Es un conjunto de conocimientos racionales, ciertos o probables, que obtenidos de manera metódica y verificados en su contrastación con la realidad se sistematizan orgánicamente haciendo referencia de objetos de una misma naturaleza, cuyos contenidos son susceptibles de ser transmitidos. El método científico es el modo ordenado de proceder para el conocimiento de la verdad, en el ámbito de determinada disciplina científica. A su vez, es un conjunto sistemático de criterios de acción y de normas que orientan el proceso de investigación. El conocimiento científico y las ciencias surgen como resultado de la aplicación del método científico = conocimiento científico investigativa. La Investigación científica + método científico = conocimiento científico = ciencia Las grandes categorías del método científico son: - Teoría – Tema – Objetivos e hipótesis Razonamiento - Realidad - Contrastación de hipótesis La aplicación del método científico no es rígido, ni lineal, pues la investigación es unir en espiral tortuosa e inserta dentro de una realidad dinámica y cambiante. Objeto De Estudio El método científico sirve para adquirir o comprobar los conocimientos de la ciencia. El método científico tiene por objeto averiguar la verdad de proposiciones. El método deductivo es el que mejor se adapta a las ciencias formales, pero cumple un importante papel en las empíricas. El método inductivo, a su vez, está especialmente destinado a las ciencias fácticas y tiene también cierta injerencia (aunque menor) en
23 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA las formales. El método de investigación para el conocimiento de la realidad observable, que consiste en formularse interrogantes sobre esa realidad, con base en la teoría ya existente, tratando de hallar soluciones a los problemas planteados. El método científico (MTC) se basa en la recopilación de datos, su ordenamiento y su posterior análisis. Tiene como fin determinar las reglas dela investigación y de la prueba de las verdades científicas. Engloba el estudio de los medios por los cuales se extiende el espíritu humano y ordena sus conocimientos. Toda ciencia tiene su método específico pero podemos encontrar ciertas características generales. El conocimiento científico parte de principios, sobre los cuales se basan dos actividades fundamentales de la ciencia: 1. Los principios se toman de la experiencia, pero pueden ser hipótesis o postulados 2. A partir de los principios la ciencia usa la demostración, para obtener conclusiones que forman el saber científico. (OVIEDO, 2007). Estructura de la materia: El Electrón, Protón ,Neutrón y Positrón Electrón Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos
24 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA El electrón es una de las pequeñísimas partículas que componen un átomo (o partículas subatómicas) junto a los protones y a los neutros. Los electrones quedan siempre por fuera del núcleo del átomo compuesto por una combinación de protones y neutrones. Para mostrar cuán pequeño es el electrón, podemos decir que su masa es 1/1836 veces la de del protón. El nombre de electrón proviene de la idea de que, gracias a su energía negativa, los mismos generan electricidad sobre el núcleo del átomo. (© Swinburne University of Technology, 2018). Protón Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos Un protón es una partícula cargada positivamente que se encuentra dentro del núcleo atómico. El número de protones en el núcleo atómico es el que determina el número atómico de un elemento, como se indica en la tabla periódica de los elementos. El protón tiene carga +1 (o, alternativamente, 1,602 x 10-19 culombios), exactamente lo contrario de la carga -1 que contiene el electrón. En masa, sin embargo, no hay competencia - la masa del protón es aproximadamente 1.836 veces mayor que la de un electrón. (© Swinburne University of Technology, 2018)
25 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Neutrón Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos Es una partícula subatómica sin carga, lo podemos encontrar en el núcleo atómico. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas denominadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba. Se mantienen estables por una interacción nuclear fuerte. (© Swinburne University of Technology, 2018) Positrón o electrón positivo
26 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos Es una partícula elemental, antipartícula del electrón, posee la misma cantidad de masa y carga eléctrica sin embargo, esta es positiva. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos radioquímicas como parte de transformaciones nucleares. (© Swinburne University of Technology, 2018) Niveles de organización de la materia, hasta el cuerpo humano Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : biologia-geologia
27 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Para facilitar el estudio de un organismo tan complejo como el ser humano analizamos la materia viva desde lo más sencillo hasta lo más complejo, pero es necesario que lo consideremos como un todo formado a partir de otras partículas más sencillas que se unen para formar otras más complejas. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Pueden distinguirse varios niveles de complejidad o de organización del cuerpo humano: Nivel atómico. Los átomos son las partículas más pequeñas de materia que conservan las propiedades químicas del elemento químico al que pertenecen. Los átomos que constituyen la materia viva son los bioelementos. Como verás en Física y Química, los átomos están formados por otras partículas subatómicas, como los protones, neutrones y electrones. Los átomos más abundantes en los seres vivos son los bioelementos primarios, como el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S), que forman el 96% de la materia viva. Los bioelementos secundarios y oligoelementos son otros bioelementos pero mucho menos abundantes. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Nivel molecular. Los átomos se unen entre sí mediante enlaces químicos para formar una estructura más compleja, la molécula. Los bioelementos se agrupan para formar biomoléculas. Las biomoléculas más importantes son: Biomoléculas inorgánicas: presentes tanto en los seres vivos como en la materia inerte. Agua: formada por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Es el componente mayoritario de los seres vivos y tiene muchas funciones, como transportar moléculas, soporte de las reacciones químicas que se producen en el organismo, disolvente de moléculas, termorregulador, etc. Sales minerales: se pueden encontrar en estado sólido formando estructuras duras, como los huesos, dientes, conchas de moluscos, o disueltas, interviniendo en el mantenimiento del medio interno, y en muchas reacciones químicas, como la transmisión del impulso nervioso o la contracción de los músculos.
28 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Biomoléculas orgánicas: exclusivas de los seres vivos, ricas en carbono. Glúcidos: tienen función energética, como el almidón y el glucógeno, y otros, estructural, como la celulosa. Lípidos: tienen función energética, estructural (forman parte de la membrana celular), pero también actúan como hormonas o vitaminas. Proteínas: formadas por aminoácidos. Tienen función estructural, de transporte, hormonal, inmunológica, homeostática, enzimática,… Ácidos nucleicos: el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) se encargan de almacenar la información genética, que contiene la información sobre cómo somos, y los caracteres que tenemos. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Como ves, algunas moléculas se unen con otras para formar un nivel superior, el nivel macromolecular. Por ejemplo, cuando los monosacáridos se unen para formar glúcidos más complejos, o los aminoácidos se unen para formar proteínas. Las macromoléculas se unen para formar los orgánulos celulares. Por ejemplo, los lípidos y las proteínas se asocian para formar las membranas celulares. Todos estos niveles inferiores de organización de la materia son niveles abióticos pero, a partir del siguiente nivel, el nivel celular, comienzan los niveles bióticos, con vida. Niveles de organización de los seres vivos Nivel celular. La célula es la unidad básica de todos los seres vivos. Las moléculas y macromoléculas se agrupan para formar orgánulos y células, que son capaces de llevar a cabo las funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Por tanto, el nivel celular es el primero que tiene vida. Algunos ejemplos de células son los glóbulos blancos, las neuronas, las células musculares, etc. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Los seres unicelulares tienen este nivel de organización, pero los pluricelulares son más complejos.
29 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Tejido. Un tejido se forma por la asociación de células especializadas que tienen la misma estructura y función. Por ejemplo, el tejido óseo, el tejido sanguíneo, tejido muscular, etc. Actividad interactiva: ¿Qué es un tejido?. Órgano. Varios tejidos que colaboran para realizar una determinada función forman los órganos del cuerpo humano. Por ejemplo, el corazón está formado por tejido epitelial, nervioso y muscular, y su función es bombear sangre. El riñón, hígado, un hueso, los ovarios, serían otros ejemplos de órganos. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Sistema y aparato. Los órganos se asocian en estructuras superiores (aparatos y sistemas del cuerpo humano) para realizar una función vital determinada: Los aparatos están formados por la asociación de órganos muy diferentes entre sí, con distintas funciones, distintas estructuras, pero que colaboran juntos. Por ejemplo, el aparato digestivo está formado por órganos muy diferentes, como los dientes, lengua, o hígado, pero todos trabajan de modo coordinado en la digestión de los alimentos y absorción de los nutrientes. Los sistemas están formados por órganos formados por el mismo tipo de tejido, con la misma estructura, como es el sistema esquelético, nervioso o el muscular. Cada nivel de organización va formando estructuras más complejas, interaccionando con el resto hasta dar lugar al organismo, donde se integran todos los aparatos y sistemas que forman el individuo pluricelular, como una planta, un hongo, o el ser humano. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Clasificación de los compuestos químicos Un compuesto es una sustancia formada por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica. Una característica esencial es que tiene una fórmula química. Por ejemplo, la cal es un compuesto formado por calcio y oxígeno en la razón de 1 a 1 (en número de átomos). (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014)
30 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA En general, esta razón fija es debida a una propiedad intrínseca. Un compuesto está formado por moléculas o iones con enlaces estables y no obedece a una selección humana arbitraria. Por este motivo el bronce o el chocolate son denominadas mezclas o aleaciones, pero no compuestos. Los elementos de un compuesto no se pueden dividir o separar por procesos físicos (decantación, filtración, destilación, sino sólo mediante procesos químicos. Naturaleza de los compuestos químicos (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Enlaces Los átomos en la molécula no pueden permanecer unidos sin enlaces. Existen dos tipos de enlaces: el covalente entre átomos, un ejemplo es el agua que esta unido mediante un enlace covalente polar; y el enlace iónico es entre iones, como por ejemplo el cloruro de sodio. Hay algunas excepciones representado por H2, es homonuclear, esto es, tiene átomos de un solo elemento. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Fórmula Los químicos describen los compuestos usando los símbolos químicos de los átomos enlazados. El orden de éstos en los compuestos inorgánicos va desde el más electronegativo a la derecha. Por ejemplo en el NaCl, el cloro que es más electronegativo que el sodio va en la parte derecha. Para los compuestos orgánicos existen otras varias reglas. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Clasificación Los principales compuestos químicos que existen en la actualidad son: Óxidos básicos, que están formados por un metal y oxígeno. Ejemplos: óxido plúmbico, óxido de litio. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Óxidos ácidos, formados por un no metal y oxígeno. Ejemplos: óxido hipocloroso, óxido selenioso. Hidruros, que pueden ser tanto metálicos como no metálicos. Están compuestos por un elemento e hidrógeno. Ejemplos: hidruro de aluminio, hidruro de sodio.
31 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Hidrácidos, son hidruros no metálicos que, cuando se disuelven en agua, adquieren carácter ácido. Por ejemplo, el ácido iodhídrico,. Hidróxidos, compuestos formados por la reacción entre un óxido básico y el agua, que se caracterizan por presentar el grupo oxidrilo (OH). Por ejemplo, el hidróxido de sodio, o sosa cáustica. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Oxoácidos, compuestos obtenidos por la reacción de un óxido ácido y agua. Sus moléculas están formadas por hidrógeno, un no metal y oxígeno. Por ejemplo, ácido clórico. Sales binarias, compuestos formados por un hidrácido más un hidróxido. Por ejemplo, el cloruro de sodio. Oxisales, formadas por la reacción de un oxácido y un hidróxido, como por ejemplo el hipoclorito de sodio. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Tabla periódica Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Michael Dayah Copyright
32 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico (número de protones),1 por su configuración de electrones y sus propiedades químicas. Este ordenamiento muestra tendencias periódicas, como elementos con comportamiento similar en la misma columna. (IUPAC, 30) En palabras de Theodor Benfey, la tabla y la ley periódica «son el corazón de la química —comparables a la teoría de la evolución en biología (que sucedió al concepto de la Gran Cadena del Ser), y a las leyes de la termodinámica en la física clásica—».2 Tabla periódica moderna, con 18 columnas. [Nota: Incluye los símbolos de los últimos cuatro nuevos elementos aprobados por la IUPAC: Nh, Mc, Ts y Og (28 de noviembre de 2016) (IUPAC, 30) Las filas de la tabla se denominan períodos y las columnas grupos. 4Algunos grupos tienen nombres. Así por ejemplo el grupo 17 es el de los halógenos y el grupo 18 el de los gases nobles.5 La tabla también se divide en cuatro bloques con algunas propiedades químicas similares.6 Debido a que las posiciones están ordenadas, se puede utilizar la tabla para obtener relaciones entre las propiedades de los elementos, o pronosticar propiedades de elementos nuevos todavía no descubiertos o sintetizados. La tabla periódica proporciona un marco útil para analizar el comportamiento químico y es ampliamente utilizada en química y otras ciencias. (IUPAC, 30) Dmitri Mendeléyev publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida. La desarrolló para ilustrar tendencias periódicas en las propiedades de los elementos entonces conocidos, al ordenar los elementos basándose en sus propiedades químicas,7 si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos.8 Mendeléyev también pronosticó algunas propiedades de elementos entonces desconocidos que anticipó que ocuparían los lugares vacíos en su tabla. Posteriormente se demostró que la mayoría de sus predicciones eran correctas cuando se descubrieron los elementos en cuestión. (IUPAC, 30) La tabla periódica de Mendeléyev ha sido desde entonces ampliada y mejorada con el descubrimiento o síntesis de elementos nuevos y el desarrollo de modelos teóricos nuevos para explicar el comportamiento químico. La estructura actual fue diseñada por Alfred Werner a partir de la versión de Mendeléyev. Existen además otros arreglos periódicos de acuerdo a diferentes propiedades y según el uso que se le quiera dar (en didáctica, geología, etc). (IUPAC, 30) Se han descubierto o sintetizado todos los elementos de número atómico del 1 (hidrógeno) al 118 (oganesón); la IUPAC confirmó los elementos 113, 115, 117 y 118 el 30 de diciembre de 2015,10 y sus nombres y símbolos oficiales se hicieron públicos el 28 de noviembre de 2016.3 Los primeros 94 existen naturalmente, aunque algunos solo se han encontrado en cantidades pequeñas y fueron sintetizados en laboratorio antes de ser encontrados en la naturaleza.n. 1 Los elementos con números atómicos
33 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA del 95 al 118 solo han sido sintetizados en laboratorios. Allí también se produjeron numerosos radioisótopos sintéticos de elementos presentes en la naturaleza. Los elementos del 95 a 100 existieron en la naturaleza en tiempos pasados pero actualmente no.11 La investigación para encontrar por síntesis nuevos elementos de números atómicos más altos continúa. La tabla periódica actual es un sistema donde se clasifican los elementos conocidos hasta la fecha. Se colocan de izquierda a derecha y de arriba abajo en orden creciente de sus números atómicos. Los elementos están ordenados en siete hileras horizontales llamadas periodos, y en 18 columnas verticales llamadas grupos o familias.59 Hacia abajo y a la izquierda aumenta el radio atómico y el radio iónico. Hacia arriba y a la derecha aumenta la energía de ionización, la afinidad electrónica y la electronegatividad. (IUPAC, 30) Grupos Ejemplo de tabla periódica (en lengua vietnamita), en la que figuran los tres sistemas de numeración de los grupos (IUPAC, 30) A las columnas verticales de la tabla periódica se las conoce como grupos o familias. Hay 18 grupos en la tabla periódica estándar. En virtud de un convenio internacional de denominación, los grupos están numerados de 1 a 18 desde la columna más a la izquierda —los metales alcalinos— hasta la columna más a la derecha —los gases nobles—.60 Anteriormente se utilizaban números romanos según la última cifra del convenio de denominación de hoy en día —por ejemplo, los elementos del grupo 4 estaban en el IVB y los del grupo 14 en el IVA—. En Estados Unidos, los números romanos fueron seguidos por una letra «A» si el grupo estaba en el bloque s o p, o una «B» si pertenecía al d. En Europa, se utilizaban letras en forma similar, excepto que «A» se usaba si era un grupo precedente al 10, y «B» para el 10 o posteriores. Además, solía tratarse a los grupos 8, 9 y 10 como un único grupo triple, conocido colectivamente en ambas notaciones como grupo VIII. En 1988 se puso en uso el nuevo sistema de nomenclatura IUPAC y se desecharon los nombres de grupo previos. (IUPAC, 30) Algunos de estos grupos tienen nombres triviales —no sistemáticos—, como se ve en la tabla de abajo, aunque no siempre se utilizan. Los grupos del 3 al 10 no tienen nombres comunes y se denominan simplemente mediante sus números de grupo o por el nombre de su primer miembro —por ejemplo, «el grupo de escandio» para el 3—, ya que presentan un menor número de similitudes y/o tendencias verticales. (IUPAC, 30) La explicación moderna del ordenamiento en la tabla periódica es que los elementos de un grupo poseen configuraciones electrónicas similares y la misma valencia, entendida como el número de electrones en la última capa. Dado que las propiedades
34 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA químicas dependen profundamente de las interacciones de los electrones que están ubicados en los niveles más externos, los elementos de un mismo grupo tienen propiedades químicas similares y muestran una tendencia clara en sus propiedades al aumentar el número atómico. (IUPAC, 30) • Grupo 1 (I A): metales alcalinos • Grupo 2 (II A): metales alcalinotérreos • Grupo 3 (III B): familia del escandio (tierras raras y actinidos) • Grupo 4 (IV B): familia del titanio • Grupo 5 (V B): familia del vanadio • Grupo 6 (VI B): familia del cromo • Grupo 7 (VII B): familia del manganeso • Grupo 8 (VIII B): familia del hierro • Grupo 9 (VIII B): familia del cobalto • Grupo 10 (VIII B): familia del níquel • Grupo 11 (I B): familia del cobre • Grupo 12 (II B): familia del zinc • Grupo 13 (III A): térreos • Grupo 14 (IV A): carbonoideos • Grupo 15 (V A): nitrogenoideos • Grupo 16 (VI A): calcógenos o anfígenos • Grupo 17 (VII A): halógenos • Grupo 18 (VIII A): gases nobles • • Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Michael Dayah Copyright Por ejemplo, los elementos en el grupo 1 tienen una configuración electrónica ns1 y una valencia de 1 —un electrón externo— y todos tienden a perder ese electrón al enlazarse como iones positivos de +1. Los elementos en el último grupo de la derecha son los gases nobles, los cuales tienen lleno su último nivel de energía —regla del octeto— y, por ello, son excepcionalmente no reactivos y son también llamados «gases inertes». Los elementos de un mismo grupo tienden a mostrar patrones en el radio atómico, energía de ionización y electronegatividad. De arriba abajo en un grupo, aumentan los radios atómicos de los elementos. Puesto que hay niveles de energía más llenos, los electrones de valencia se encuentran más alejados del núcleo. Desde la parte
35 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA superior, cada elemento sucesivo tiene una energía de ionización más baja, ya que es más fácil quitar un electrón en los átomos que están menos fuertemente unidos. Del mismo modo, un grupo tiene una disminución de electronegatividad desde la parte superior a la inferior debido a una distancia cada vez mayor entre los electrones de valencia y el núcleo. (IUPAC, 30) Hay excepciones a estas tendencias, como por ejemplo lo que ocurre en el grupo 11, donde la electronegatividad aumenta más abajo en el grupo.64 Además, en algunas partes de la tabla periódica como los bloques d y f, las similitudes horizontales pueden ser tan o más pronunciadas que las verticales. (IUPAC, 30) Períodos Las filas horizontales de la tabla periódica son llamadas períodos.68 El número de niveles energéticos de un átomo determina el periodo al que pertenece. Cada nivel está dividido en distintos subniveles, que conforme aumenta su número atómico se van llenando en este orden: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Michael Dayah Copyright Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca según su configuración electrónica y da forma a la tabla periódica. (IUPAC, 30)
36 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Los elementos en el mismo período muestran tendencias similares en radio atómico, energía de ionización, afinidad electrónica y electronegatividad. En un período el radio atómico normalmente decrece si nos desplazamos hacia la derecha debido a que cada elemento sucesivo añadió protones y electrones, lo que provoca que este último sea arrastrado más cerca del núcleo.69 Esta disminución del radio atómico también causa que la energía de ionización y la electronegatividad aumenten de izquierda a derecha en un período, debido a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones.63 La afinidad electrónica también muestra una leve tendencia a lo largo de un período. Los metales —a la izquierda— generalmente tienen una afinidad menor que los no metales —a la derecha del período—, excepto para los gases nobles.70 La tabla periódica se puede también dividir en bloques de acuerdo a la secuencia en la que se llenan las capas de electrones de los elementos. Cada bloque se denomina según el orbital en el que el en teoría reside el último electrón: s, p, d y f.71n. 4 El bloque s comprende los dos primeros grupos (metales alcalinos y alcalinotérreos), así como el hidrógeno y el helio. El bloque pcomprende los últimos seis grupos —que son grupos del 13 al 18 en la IUPAC (3A a 8A en América)— y contiene, entre otros elementos, todos los metaloides. El bloque d comprende los grupos 3 a 12 —o 3B a 2B en la numeración americana de grupo— y contiene todos los metales de transición. El bloque f, a menudo colocado por debajo del resto de la tabla periódica, no tiene números de grupo y se compone de lantánidos y actínidos.72 Podría haber más elementos que llenarían otros orbitales, pero no se han sintetizado o descubierto; en este caso se continúa con el orden alfabético para nombrarlos. Así surge el bloque g, que es un bloque hipotético. (IUPAC, 30) Metales, metaloides y no metales[editar] De acuerdo con las propiedades físicas y químicas que comparten, los elementos se pueden clasificar en tres grandes categorías: metales, metaloides y no metales. Los metales son sólidos generalmente brillantes, altamente conductores que forman aleaciones de unos con otros y compuestos iónicos similares a sales con compuestos no metálicos —siempre que no sean los gases nobles—. La mayoría de los no metales son gases incoloros o de colores; pueden formar enlaces covalentes con otros elementos no metálicos. Entre metales y no metales están los metaloides, que tienen propiedades intermedias o mixtas.73 Metales y no metales pueden clasificarse en sub_categorías que muestran una gradación desde lo metálico a las propiedades no metálicas, de izquierda a derecha, en las filas: metales alcalinos —altamente reactivos—, metales alcalinotérreos —menos reactivos—, lantánidos y actínidos, metales de transición y metales post-transición. Los no metales se subdividen simplemente en no metales poliatómicos —que, por estar más cercanos a los metaloides, muestran cierto carácter metálico incipiente—, no metales diatómicos —que son esencialmente no metálicos— y los gases nobles, que son monoatómicos no metálicos y casi completamente inertes. Ocasionalmente también se señalan subgrupos dentro de los metales de transición, tales como metales refractarios y metales nobles. (IUPAC, 30)
37 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA La colocación de los elementos en categorías y subcategorías en función de las propiedades compartidas es imperfecta. Hay un espectro de propiedades dentro de cada categoría y no es difícil encontrar coincidencias en los límites, como es el caso con la mayoría de los sistemas de clasificación.76 El berilio, por ejemplo, se clasifica como un metal alcalinotérreo, aunque su composición química anfótera y su tendencia a formar compuestos covalentes son dos atributos de un metal de transición químicamente débil o posterior. El radón se clasifica como un no metal y un gas noble aunque tiene algunas características químicas catiónicas más características de un metal. También es posible clasificar con base en la división de los elementos en categorías de sucesos, mineralógicos o estructuras cristalinas. La categorización de los elementos de esta forma se remonta a por lo menos 1869, cuando Hinrichs escribió que se pueden extraer líneas sencillas de límites para mostrar los elementos que tienen propiedades similares, tales como metales y no metales, o los elementos gaseosos. (IUPAC, 30) Estados de la materia: solido, líquido y gaseoso Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : www.portaleducativo.net Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. La materia está formada, como sabemos, por partículas muy pequeñas. (Vergara, 2012) La intensidad de las fuerzas de cohesión entre las partículas que constituyen un sistema material (porción de materia que pueda delimitarse y ser estudiada en forma individual) determina su estado de agregación. Cuando un sistema material cambia de estado de agregación, la masa permanece constante, pero el volumen cambia.
38 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases. Seguramente ya habías escuchado sobre los tres estados (o formas de agregación) de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, existe un cuarto estado denominado plasma y un quinto estado, el Condensado de Bose-Einstein. (Vergara, 2012) Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, solo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso: 1.1- Los sólidos: En los sólidos, las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fijas en su lugar; solo vibran unas al lado de otras. Propiedades: - Tienen forma y volumen constantes. - Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. - No se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos. - Se dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y se contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían. (Vergara, 2012) 1.2- Los líquidos: las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y chocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras. Propiedades: - No tienen forma fija pero sí volumen. - La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.
39 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA - Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene. - Fluyen o se escurren con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente; por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos. (Vergara, 2012) - Se dilatan y contraen como los sólidos. 1.3- Los gases: En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias. (Vergara, 2012) Propiedades: - No tienen forma ni volumen fijos. - En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión. - El gas adopta el tamaño y la forma del lugar que ocupa. - Ocupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene. - Se pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen. - Se difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas. - Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos. 1.4- Plasma: Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos. (Vergara, 2012) El plasma, es así, una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad. (Vergara, 2012) Un ejemplo de plasma presente en nuestro universo es el sol. Otros ejemplos: Plasmas terrestres: - Los rayos durante una tormenta.
40 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA - La ionosfera. - La aurora boreal. Plasmas espaciales y astrofísicos: - Las estrellas (por ejemplo, el Sol). - Los vientos solares. - El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias). (Vergara, 2012) - Los discos de acrecimiento. - Las nebulosas intergalácticas. - Ambiplasma 1.5- Estado Condensado de Bose-Einstein: Representan un quinto estado de la materia visto por primera vez en 1955. El estado lleva el nombre de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quien predijo su existencia hacia 1920. Los condensados B-E son superfluídos gaseosos enfriados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273 ° C o −459,67 °F). (Vergara, 2012) En este estado, todos los átomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecánico-quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. (Vergara, 2012) Para hacernos una idea de lo que sería un objeto cotidiano estando en estado de Bose- Einstein, proponemos imaginar que varias personas estuvieran sentadas en la misma silla, no una sentada sobre otra, sino literalmente todas sentadas en la misma silla, ocupando el mismo espacio en el mismo momento. (Vergara, 2012) Dato curioso: El estado de Bose-Einstein se podría considerar el estado 0 de la materia, ya que se da en partículas bosónicas (o que se comportan como las mismas) cuando se acercan al cero absoluto, que es la menor temperatura que un cuerpo puede alcanzar. (Vergara, 2012) Fenómenos Biofísicos Moleculares
41 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Es todo cambio o transformación que se produce en la naturaleza, puede darse por diversos factores, tanto físicos, químicos y biofísicos moleculares. Fenomenos Fisicos Son los cambios que va a sufrir un cuerpo, materia o sustancia sin alterar su composición y ocurren cuando se lleva a cabo un proceso o cambio, que puede ser reversible, sin perder sus características, propiedades ni modificar su naturaleza. (Parra, 2013) Entre las características que podemos encontrar tenemos: • El cambio que experimenta el cuerpo, materia o sustancia es reversible. • Se puede observar el cambio. • El cuerpo, la materia o sustancia no cambia. Ejemplo: Cuando un cuerpo se traslada de un punto a otro. Fenómenos Químicos Es la transformación permanente e irreversible que sufren los cuerpos, materias o sustancias. Es decir, uno o varios de estos desaparecen y se forman uno o varios cuerpos, materias o sustancias nuevas, ya que se modifica su estructura molecular. (García, 2016) Ejemplo: La respiración, el cual consiste en la entrada de oxígeno al cuerpo de un ser vivo y la salida de dióxido de carbono del mismo. Fenómenos Biofísicos Moleculares Son procesos que se realizan en los seres vivos, los cuales se basan en leyes físicas y físico-químicas dando lugar a la formación de dichos fenómenos. Los fundamentos moleculares de la Biofísica se rigen en las biomoléculas, o macromoléculas, y su funcionamiento en todo aspecto. Entre estos encontramos:
42 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA • Tensión Superficial. • Presión Hidrostática. • Adhesión. • Cohesión. • Capilaridad y acción capilar. • Osmosis. • Difusión. • Diálisis. • Absorción y adsorción. 1. Tensión Superficial La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Ejemplo: Los pulmones contienen unos 300 millones de alveolos, éstos se sitúan al final de la unidad respiratoria y es donde se produce el intercambio gaseoso entre atmósfera y organismo, y viceversa, sistema por el cual conseguimos O2, nutriente vital, y eliminamos el CO2, un desecho metabólico. Para que se pueda llevar esta difusión de gases el espacio entre alveolo y capilar sanguíneo deberá ser ínfimo además de presentar unas características determinadas para hacer posible este hecho. Durante la ventilación pulmonar el tejido que forma los pulmones se distiende y se comprime para que puedan entrar y salir los distintos gases implicados en el proceso, al reducir su tamaño, según la ecuación de Laplace, la presión sobre los alveolos aumenta enormemente, corriendo el riesgo de sufrir el colapso del alveolo. (Fernández, 2014) 2. Presión Hidrostática. Es la que se manifiesta en el interior de toda masa líquida, provocada por el peso de la columna de líquido que debe soportar un cuerpo sumergido. Por ejemplo, la presión
43 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA arterial, en la cual la sangre que circula constantemente por los vasos ejerce presión sobre las paredes vasculares. La presión viene determinada por la fuerza de bombeo del corazón y la elasticidad de los vasos. (Castro, 2013) 3. Ahesión Es la atracción de moléculas de un tipo por moléculas de otro tipo, y para el agua puede ser bastante fuerte, especialmente cuando las otras moléculas tienen cargas positivas o negativas. Por ejemplo: las articulaciones que forman el hombro. (Paz, 2010) 4. Cohesión Se refiere a la atracción que tienen las moléculas por otras de su mismo tipo, y las moléculas de agua tienen fuerzas cohesivas fuertes gracias a su habilidad para formar puentes de hidrógeno entre ellas. Ejemplo: Ayuda a que la sangre se forme en gotas (Paz, 2010) 5. Capilaridad y acción capilar • Capilaridad: Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial, que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Ejemplo: Hace fluir la sangre en las arterias. (Sánchez, 2011) • Acción Capilar: Movimiento del agua dentro de los espacios de un material poroso, debido a las fuerzas de adhesión y a la tensión de la superficie. Ejemplo: Ayuda a la acción de bombeo que ejecuta su corazón al mantener su sangre moviéndose dentro de sus vasos sanguíneos. (Ponce, 2015) 6. Osmosis Es un mecanismo biológico de transporte pasivo, mediante el que moléculas de H2O (Agua), traspasan la membrana celular desde el medio hipotónico al medio hipertónico, sin consumo alguno de energía. Este fenómeno aparece cuando la concentración interna y externa de la célula está en desequilibrio, es decir, cuando la célula no se encuentra en un medio isotónico. (Chang, 2014) La membrana celular es conocida por su propiedad de permeabilidad selectiva o semi- permeabilidad, lo que significa que sólo permite el paso de ciertas partículas a través de sus poros. Cuando la membrana separa dos medios en desequilibrio, ocurre que las
44 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA moléculas de agua que se encuentran en el medio de menor concentración atraviesan la membrana celular y pasan al medio de mayor concentración, es decir, a favor del gradiente de concentración. La ósmosis está íntimamente relacionada con otros dos fenómenos celulares importantes denominados Turgencia y Plasmólisis. • Turgencia: Éste fenómeno celular se produce cuando la célula es sometida a un medio con una concentración menor a la concentración propia, causando que mediante ósmosis, el agua contenida en el medio hipotónico traspase la membrana plasmática y entre a la célula. Es la ganancia de agua por parte de la célula. La turgencia causa que la célula se hinche de agua hasta explotar. En los glóbulos rojos del cuerpo humano, este fenómeno causa la Hemólisis, o destrucción de los mismos. La hemólisis se produce en el bazo, y menormente en la médula ósea y el hígado. • Plasmólisis: Éste fenómeno celular se produce cuando la célula es sometida a un medio con una concentración mayor a la concentración propia, lo que causa que mediante ósmosis, el agua contenida en la célula traspase la membrana plasmática hacia el medio hipertónico, es decir, es la pérdida de agua por parte de la célula. La plasmólisis causa que la célula se deshidrate y se contraiga hasta morir. 7. Difusión Es el movimiento de las moléculas de una concentración más alta a una más baja; esto quiere decir que baja su gradiente de concentración hasta que se logra el equilibrio y se distribuyen de manera equivalente. (Jara, 2015) • Difusión Simple: Es el intercambio de sustancias disueltas, que son de muy bajo peso molecular, cuanto menor tamaño molecular y mayor carácter hidrófobo, mejor difunde una sustancia a través de la membrana. Es la difusión de agua, gases disueltos o moléculas liposolubles por la capa doble de fosfolípidos de la membrana citoplasmática. Es el movimiento de las moléculas en el fluido, desde las regiones de alta concentración hasta las de menor concentración, como es el caso del agua, gases disueltos (oxigeno, dióxido de carbono) y moléculas liposolubles (alcohol etílico y la vitamina A) que cruzan la membrana con facilidad.
45 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA • Difusión facilitada: Esta atraviesa la membrana de sustancias que requieren la mediación de proteínas de membrana que las reconocen específicamente y permiten su paso sin que lleguen a tomar contacto directo con los lípidos hidrofóbicos. Se puede transportar un soluto específico desde el interior de la célula al exterior o viceversa, pero el movimiento neto es siempre desde una región de mayor concentración de soluto a una de menor concentración. Las proteínas de canal y las proteínas transportadoras facilitan la difusión por diferentes mecanismos. • Las proteínas implicadas en la difusión mediada son largas cadenas polipeptídicas y pueden ser de dos clases, proteínas transportadoras y proteínas de canal. • La difusión mediada por permeasas implica la unión específica de la sustancia a la proteína en una cara de la membrana. • La difusión mediada por proteínas de canal éstas no se unen a la sustancia. Permiten principalmente el paso de iones a mucha mayor velocidad que las permeasas. 8. Diálisis Proceso de separación de las partículas coloidales, en función de su tamaño, a través de una membrana dializadora. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales. Cuando la membrana que separa dos disoluciones deja pasar, además de agua, los solutos de menor tamaño, se produce el fenómeno denominado diálisis. Las moléculas de bajo peso molecular pasan desde la disolución en la que se encuentran en mayor concentración hacia la disolución en la que se encuentran en menos concentración. (Sanz, 2015) La hemodiálisis es el tratamiento que se emplea para limpiar la sangre en casos de insuficiencia mediante el uso de un filtro y un líquido de diálisis generado por un riñón artificial.
46 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA 9. Absorción y adsorción • Absorción: La absorción es el fenómeno de sorción en el que átomos, moléculas o iones pasan de una fase fluida (líquido o gas) a otra fase que puede ser fluida o sólida. En la absorción hay transferencia de materia de una fase A (absorbato) a una fase B (absorbente), la sustancia absorbida difunde en el material absorbente y queda disuelta o dispersa en el. Esta implica que la concentración de absorbato aumenta en la fase absorbente, la cual aumenta de masa y volumen. La absorción suele darse por procesos físicos, como la disolución de absorbato en el absorbente, pero también químicos, cuándo el absorbato sufre una reacción química con algún componente del absorbente. Desde un punto de vista termodinámico, el proceso de absorción es endotérmico, pues implica que el absorbente capture y transforme energía al distribuir el absorbato en su propia masa y volumen. (Díaz, 2010) • Adsorción: Es el fenómeno de sorción en el que una sustancia A (adsorbato) presente en una fase fluida (líquido o gas) queda adherida a la superficie de una sustancia B en fase sólida (adsorbente). No hay transferencia de masa entre las fases, sino que el adsorbato crea una capa superficial sobre el adsorbente. La adsorción se puede producir también por fenómenos físicos o químicos. Por ejemplo, el adsorbato puede quedar fijado en la superficie por atracción eléctrica o por fuerzas de van der Waals, ambos fenómenos físicos, pero también puede quedar adherido por formación de un enlace químico, es decir, con intercambio de electrones. La adsorción es un fenómeno exotérmico que ocurre de forma espontánea hasta que el adsorbente queda saturado. (Amparo, 2011)
47 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Elasticidad y resistencia de los tejidos humanos Autor: Jorge Eduardo Mocoso Chuchuca Fuente: https://www.definicionabc.com/general/elasticidad.php La elasticidad es una propiedad que también se encuentra en muchos órganos, tejidos y músculos de los organismos, teniendo esto relación con la capacidad de crecer y volverse elásticos de acuerdo a diferentes situaciones. Un ejemplo claro de órgano elástico es la del estómago, que puede aumentar varias veces su tamaño original para luego volver a su estado de reposo luego de haberse realizado el proceso de alimentación. Normalmente, en el caso de los órganos y músculos, la elasticidad tiene que ver con una correcta hidratación ya que la ausencia de agua (como sucede con la piel) resquebraja y atrofia a los diferentes tejidos. La resistencia es la tendencia de un material a resistir el flujo de corriente y es específica para cada tejido, dependiendo de su composición, temperatura y de otras propiedades físicas. . (Amparo, 2011) Los nervios, encargados de transmitir señales eléctricas, los músculos, y los vasos sanguíneos con su alto contenido en electrolitos y agua son buenos conductores. Los huesos, los tendones y la grasa tienen una gran resistencia y tienden a calentarse y coagularse antes que transmitir la corriente. . (Amparo, 2011)
48 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Alrededor de 85% de la masa muscular esquelética del ser humano está compuesta por fibras musculares propiamente dichas. Magnitudes y medidas Las unidades medidas más utilizadas en la medicina. Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc. Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene. Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro. (Miñarro, 2014) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente: blogts Jean Alvarado El 15% restante está formado en gran parte por tejido conectivo compuesto en cantidades variables por fibras colágenas, reticulares y elásticas Fibras colágenas. Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno. Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del
49 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes. Fibras elásticas. Son más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina. Al igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse hasta el 150% de su longitud. (Miñarro, 2014) Por lo tanto, el tejido conectivo constituye una estructura de elementos simples y, en su mayoría, semejantes a muelles, es decir, los componentes elásticos del musculo. Materia y energía La Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Las transformaciones de la Energía tienen lugar en la alimentación de los seres vivos, en la dinámica de nuestra atmósfera y en la evolución del Universo. (Miñarro, 2014) Todos los procesos naturales que acontecen en la materia pueden describirse en función de las transformaciones energéticas que tienen lugar en ella. (Miñarro, 2014) Las leyes de la Termodinámica y su relación con los seres vivos incluidos los seres humanos. En biofísica los organismos vivos son conocidos por el nombre de biosistemas o biontes, Los seres inertes o abióticos simplemente se designan con el nombre de sistemas. Sería bueno que se familiarizara con estos términos para que logre hacer la diferencia sin recurrir a un exceso de palabras. (Cebollada, 2016) Puesto que los biontes son sistemas termodinámicos, ellos dependen de las mismas leyes físicas a las que la materia inerte está sujeta. Los algoritmos de transferencia de calor que son aplicables en los procesos en sistemas inertes también son aplicables en los biosistemas. Así, las leyes que aprendimos en los artículos sobre transferencia de
50 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA calor y calor almacenadopor sistemas inertes son también funcionales para los biosistemas. (Nahle, 2008) Las vías de transferencia de calor que ocurren en los biosistemas son exactamente las mismas que ocurren en la naturaleza abiótica (abiótico significa sin vida). Luego pues, podemos aplicar los procedimientos matemáticos y leyes físicas que gobiernan a la materia inerte en los procesos de los biosistemas. (Nahle, 2008) Comenzaremos con los enunciados de las leyes de la termodinámica y las definiciones y fórmulas de transferencia de calor. 1. LEYES Y FÓRMULAS GENERALES: Primera Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma de una clase en otra. Una segunda versión del enunciado de la primera ley de la termodinámica es la siguiente: La energía no se crea ni se destruye, solamente cambia de un estado cuántico a otro. (Nahle, 2008) La expresión matemática de la primera ley de la termodinámica es la siguiente: ΔU = ΔQ – ΔW En donde ΔU es el incremento en la energía interna de un sistema termodinámico dado, ΔQ es la cantidad de calor aplicado al sistema termodinámico, y ΔW es el cambio en la cantidad de trabajo realizado por el mismo sistema termodinámico La formula significa que el cambio de la energía interna de un sistema es igual al calor transferido desde ese sistema, descontando el trabajo hecho por ese sistema en su ambiente. (Nahle, 2008) Segunda Ley de la Termodinámica: En toda transformación de una forma de energía a otra forma de energía, una cantidad de energía siempre es dispersada hacia otros estados, generalmente en forma de calor. La expresión matemática de la segunda ley de la termodinámica es la siguiente:
51 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA ΔS/Δt ≥ 0 En donde ΔS es el incremento de la entropía, y Δt es el tiempo durante el cual se realizó dicho incremento. (Nahle, 2008) La formula denota que el cambio en la entropía de un sistema termodinámica siempre es más alta o igual que cero, y que el tiempo es la dimensión fundamental en la cual el sistema está realizando trabajo. La formula nos permite deducir otras conceptualizaciones de la segunda ley, las cuales significan lo mismo, por ejemplo: 1. Ningún sistema puede transformar energía en formas útiles de energía con una eficiencia del 100 por ciento. 2. La energía no puede difundirse espontáneamente desde estados de baja densidad hacia otros estados de alta densidad. 3. El calor nunca es transferido espontáneamente desde sistemas fríos hacia sistemas calientes. 4. La entropía, considerada como la medida del desorden en un sistema termodinámico, se incrementa constantemente a través del tiempo. (Nahle, 2008) 2. FÓRMULAS GENERALES PARA CALCULAR TRANSFERENCIA DE CALOR. CONDUCCIÓN: Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sitema o de otros sistemas en contacto con temperaturas más bajas. Las moléculas con una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más calor (energía potencial -absorbe calor- <--> energía cinética -emite calor). (Nahle, 2008)
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Biofisica

  • 1. UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS “CARRERA DE MEDICINA” BIOPHYSICAL SCIENTIAM AUTOR: JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA PERIODO LECTIVO 2018 – 2019
  • 2. 2 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Introducción La biofísica es un puente entre la biología y la física. La biología estudia la vida en su variedad y complejidad. Describe cómo los organismos van obteniendo comida, comunicándose, percibiendo el ambiente y reproduciéndose. Por otro lado, la física busca las leyes matemáticas de la naturaleza y hace predicciones detalladas sobre las fuerzas que impulsan los sistemas idealizados. Alcanzar la distancia entre la complejidad de la vida y la simplicidad de las leyes físicas es el desafío de la biofísica. Buscar los patrones en la vida y analizarlos con las matemáticas y la física es una manera poderosa de obtener ideas. La biofísica busca principios que describan patrones. Si los principios son poderosos, hacen predicciones detalladas que pueden ser probadas.
  • 3. 3 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA AGRADECIMIENTO Agradecer hoy y siempre a mi familia en especial a mi madre, fiel vigía de los esfuerzos del día a día en estos estudios superiores pero como dejar fuera a mis otros familiares que están cuando más lo necesito, sin olvidar a mis compañeros de aulas aquellos con los que comparto mi vida académica.
  • 4. 4 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA DEDICATORIA Dedico este proyecto a padres por ser acompañantes para cada uno de mis pasos dados en mi convivir diario y por ser los guía en el sendero de cada acto que realizo hoy, mañana y siempre y con una especial devoción mi abuela que a pesar de la distancia parece que estuviera a mi lado trabajando.
  • 5. 5 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Contenido Introducción............................................................................................................................. 2 AGRADECIMIENTO................................................................................................................... 3 DEDICATORIA .......................................................................................................................... 4 PRINCIPIOS DE LA BIOFÍSICA......................................................................................... 12 ¿Qué es la biofísica? .......................................................................................................... 12 SISTEMAS ........................................................................................................................ 13 RAMAS DE LA BIOFÍSICA ............................................................................................ 14 La formación del universo y el origen de la vida................................................................... 17 La biofísica y la medicina moderna....................................................................................... 19 La ciencia : Método Científico............................................................................................... 20 Estructura de la materia: El Electrón, Protón ,Neutrón y Positrón ....................................... 23 Niveles de organización de la materia, hasta el cuerpo humano............................................ 26 Niveles de organización de los seres vivos............................................................................ 28 Clasificación de los compuestos químicos............................................................................. 29 Tabla periódica....................................................................................................................... 31 Estados de la materia: solido, líquido y gaseoso.................................................................... 37 Elasticidad y resistencia de los tejidos humanos.................................................................... 47 Magnitudes y medidas ........................................................................................................... 48 Las unidades medidas más utilizadas en la medicina. .......................................................... 48 Materia y energía ................................................................................................................... 49 Las leyes de la Termodinámica y su relación con los seres vivos incluidos los seres humanos. ............................................................................................................................................... 49 SEGUNDA UNIDAD........................................................................................................... 61 MAGNITUDES Y MEDIDA.................................................................................................... 61 MAGNITUD, CANTIDAD Y UNIDAD..................................................................... 61 La medida como comparación.................................................................................... 62 Tipos de magnitudes. ................................................................................................... 62 Algunas Operaciones Con Vectores. .......................................................................... 62 SISTEMAS DE UNIDADES....................................................................................... 63 EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)........................................ 64
  • 6. 6 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Fuerza............................................................................................................................ 67 Energía.......................................................................................................................... 68 El concepto de energía en física. ................................................................................. 68 Física clásica. ................................................................................................................ 70 Física relativista. .......................................................................................................... 71 LEYES DE NEWTON............................................................................................................. 72 Fundamentos teóricos de las leyes. ............................................................................. 73 PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE LA INERCIA..................................... 74 SEGUNDA LEY DE NEWTON O LEY DE FUERZA............................................ 74 TERCERA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN. ... 77 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE LOS MATERIALES. ........................................................... 77 Resistencia. ................................................................................................................... 78 Enfoque de la resistencia de materiales. .................................................................... 78 Hipótesis cinemática. ................................................................................................... 80 Hipótesis cinemática en elementos lineales................................................................ 80 Hipótesis cinemática en elementos superficiales ....................................................... 81 RESISTENCIA Y ESTRUCTURA DE LOS HUESOS................................................................... 82 Composición y estructura de los huesos: ....................................................................... 82 LA CONTRACCIÓN MUSCULAR........................................................................................... 83 Biomecánica de la marcha........................................................................................... 84 Biomecánica de la fase de apoyo de la marcha.......................................................... 84 LOS FLUIDOS. ..................................................................................................................... 86 LA LEY DE STOKES. ................................................................................................ 86 LA ESTÁTICA DE FLUIDOS. .................................................................................. 87 PRINCIPIO DE PASCAL........................................................................................... 88 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES ............................................................................... 88 VISCOSIDAD SANGUÍNEA Y PERFILES DE FLUJO................................................................. 89 FLUJO SANGUÍNEO............................................................................................................. 89 VALORES NORMALES EN EL HUMANO............................................................ 90 Índice cardíaco. ............................................................................................................ 90 Función fisiológica......................................................................................................... 90 Medición........................................................................................................................ 91 Flujo, presión y resistencia.......................................................................................... 91 Fluido ideal. .................................................................................................................. 91
  • 7. 7 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA LEY DE POISEUILLE. .............................................................................................. 92 HEMODINÁMICA................................................................................................................ 93 Participantes de la circulación sanguínea.................................................................. 93 Circulación mayor o circulación somática o sistémica. ............................................ 94 Circulación menor o circulación pulmonar o central............................................... 95 Fases del ciclo cardiaco................................................................................................ 95 Las presiones intracardiacas....................................................................................... 95 1. Principio de Fick. ..................................................................................................... 97 2) Métodos de dilución................................................................................................. 98 Presión en el sistema circulatorio. Presión sanguínea .............................................. 98 Tensión arterial y flujo sanguíneo.............................................................................. 99 MECÁNICA CIRCULATORIA. ............................................................................. 101 CICLO CARDIACO ................................................................................................. 103 Leyes de la velocidad y de la presión .............................................................................. 104 LEY DE VELOCIDAD ............................................................................................. 104 LEY DE LAS PRESIONES ...................................................................................... 105 FORMULAS DE PRESION ..................................................................................... 106 PRESION ARTERIAL MEDIA............................................................................... 106 PRESION DEL PULSO ............................................................................................ 106 Volumen minuto circulatorio y circulación sistémica. .................................................... 106 Regulación del gasto cardiaco................................................................................... 107 Regulación de la frecuencia (efectos cronotrópicos)............................................... 107 Regulación del volumen sistólico (efectos inotrópicos)........................................... 107 Regulación extrínseca del volumen sistólico............................................................ 108 ¿CÓMO SE CLASIFICA UN CORAZÓN ARTIFICIAL?................................... 109 FUNCIONAMIENTO. .............................................................................................. 110 SISTEMA NERVIOSO, SISTEMA BIOELÉCTRICO................................................................. 110 ELECTRODIAGNÓSTICO Y ELECTROTERAPIA........................................... 112 Electroterapia............................................................................................................. 112 SEGUNDA UNIDAD .............................................................................................................. 114 MAGNITUDES Y MEDIDA.................................................................................................. 114 MAGNITUD, CANTIDAD Y UNIDAD............................................................................. 114 La medida como comparación.................................................................................... 114 Tipos de magnitudes. .................................................................................................. 115
  • 8. 8 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Algunas Operaciones Con Vectores............................................................................ 115 SISTEMAS DE UNIDADES............................................................................................. 115 EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)........................................................ 116 Fuerza........................................................................................................................... 118 Energía......................................................................................................................... 119 El concepto de energía en física.................................................................................. 119 Física clásica................................................................................................................. 121 Física relativista........................................................................................................... 121 LEYES DE NEWTON........................................................................................................... 122 Fundamentos teóricos de las leyes............................................................................. 123 PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE LA INERCIA....................................................... 123 SEGUNDA LEY DE NEWTON O LEY DE FUERZA. .......................................................... 124 TERCERA LEY DE NEWTON O PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN. ........................... 125 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE LOS MATERIALES. ......................................................... 126 Resistencia................................................................................................................... 126 Enfoque de la resistencia de materiales..................................................................... 127 Hipótesis cinemática. .................................................................................................. 128 Hipótesis cinemática en elementos lineales. ............................................................. 128 Hipótesis cinemática en elementos superficiales ...................................................... 129 RESISTENCIA Y ESTRUCTURA DE LOS HUESOS................................................................. 129 Composición y estructura de los huesos: .................................................................... 129 LA CONTRACCIÓN MUSCULAR......................................................................................... 130 Biomecánica de la marcha. ......................................................................................... 131 Biomecánica de la fase de apoyo de la marcha. ........................................................ 131 LOS FLUIDOS. ................................................................................................................... 132 LA LEY DE STOKES........................................................................................................ 132 LA ESTÁTICA DE FLUIDOS............................................................................................ 133 PRINCIPIO DE PASCAL. ................................................................................................ 134 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES ....................................................................................... 134 VISCOSIDAD SANGUÍNEA Y PERFILES DE FLUJO............................................................... 135 FLUJO SANGUÍNEO........................................................................................................... 135 VALORES NORMALES EN EL HUMANO....................................................................... 135 Índice cardíaco............................................................................................................. 135 Función fisiológica....................................................................................................... 136
  • 9. 9 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Medición...................................................................................................................... 136 Flujo, presión y resistencia.......................................................................................... 136 Fluido ideal. ................................................................................................................. 137 LEY DE POISEUILLE....................................................................................................... 137 HEMODINÁMICA.............................................................................................................. 138 Participantes de la circulación sanguínea. ................................................................. 138 Circulación mayor o circulación somática o sistémica............................................... 139 Circulación menor o circulación pulmonar o central. ................................................ 139 Fases del ciclo cardiaco. .............................................................................................. 140 Las presiones intracardiacas. ...................................................................................... 140 1. Principio de Fick....................................................................................................... 141 2) Métodos de dilución. .............................................................................................. 142 Presión en el sistema circulatorio. Presión sanguínea............................................... 142 Tensión arterial y flujo sanguíneo .............................................................................. 143 MECÁNICA CIRCULATORIA.......................................................................................... 144 CICLO CARDIACO ......................................................................................................... 145 Leyes de la velocidad y de la presión............................................................................... 147 LEY DE VELOCIDAD ...................................................................................................... 147 LEY DE LAS PRESIONES ................................................................................................ 148 FORMULAS DE PRESION.............................................................................................. 148 PRESION ARTERIAL MEDIA.......................................................................................... 149 PRESION DEL PULSO.................................................................................................... 149 Volumen minuto circulatorio y circulación sistémica...................................................... 149 Regulación del gasto cardiaco..................................................................................... 149 Regulación de la frecuencia (efectos cronotrópicos)................................................. 150 Regulación del volumen sistólico (efectos inotrópicos) ............................................ 150 Regulación extrínseca del volumen sistólico.............................................................. 152 CORAZONES ARTIFICIALES. .............................................................................................. 152 ¿CÓMO SE CLASIFICA UN CORAZÓN ARTIFICIAL? ...................................................... 152 FUNCIONAMIENTO...................................................................................................... 153 SISTEMA NERVIOSO, SISTEMA BIOELÉCTRICO................................................................. 154 ELECTRODIAGNÓSTICO Y ELECTROTERAPIA............................................................... 155 Electroterapia.............................................................................................................. 155 Tipos de corriente y efectos de la electricidad en los seres vivos. .................................. 156
  • 10. 10 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA ................................................................................ 156 EFECTOS QUE PROVOCA LA ELECTRICIDAD Y PARA QUÉ LA USAMOS...................... 157 Efectos de los campos electromagnéticos sobre órganos y sistemas. ............................ 160 ¿Qué ocurre cuando nos exponemos a campos electromagnéticos? ....................... 160 Efectos sobre el embarazo.......................................................................................... 161 Cataratas...................................................................................................................... 161 Campos electromagnéticos y cáncer. ......................................................................... 161 Hipersensibilidad a los campos electromagnéticos y depresión............................... 162 Iones en repolarización de membrana. Fisiología de la membrana................................ 162 REPOLARIZACIÓN: ....................................................................................................... 162 FISIOLOGIA DE LA MEMBRANA .................................................................................. 164 GRADIENTE ELECTROQUIMICO................................................................................... 164 PERMEABILIDAD SELECTIVA........................................................................................ 165 TERCERA UNIDAD................................................................................................................ 166 EL APARATO RESPIRATORIO ............................................................................................ 166 EN EL SER HUMANO .................................................................................................... 167 CONTROL DE LA VENTILACIÓN.................................................................................... 168 ADAPTACIÓN A ALTURAS............................................................................................ 170 INTERCAMBIO DE GASES............................................................................................. 171 PRESIONES RESPIRATORIA............................................................................................... 172 MECANICA VENTILATORIA.......................................................................................... 174 DIMENSIONES DEL FUELLE: VOLUMENES Y CAPACIDADES ....................................... 175 FACTORES QUE FAVORECEN O SE OPONEN AL COLAPSO PULMONAR..................... 177 TRABAJO RESPIRATORIO............................................................................................. 178 VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONAR...................................................................... 179 VOLUMEN RESIDUAL................................................................................................... 179 CAPACIDAD VITAL ....................................................................................................... 180 VOLUMEN RESIDUAL Y CAPACIDAD RESIDUAL FUNCIONAL ..................................... 181 CAPACIDAD INSPIRATORIA......................................................................................... 182 MUSCULOS RESPIRATORIOS:...................................................................................... 185 EVALUACION DE LA FUNCION MUSCULAR RESPIRATORIA........................................ 188 RESISTENCIAS VENTILATORIAS ................................................................................... 190 DETERMINANTES DE LA ELASTICIDAD PULMONAR Y TORACICA .............................. 190 MEDICION DE LA ELASTICIDAD Y DISTENSIBILIDAD................................................... 191
  • 11. 11 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Estructura fibroelástica del pulmón ........................................................................... 193 TENSION SUPERFICIAL................................................................................................. 193 RESISTENCIA DE LA VIA AEREA (RVA)......................................................................... 196 DISTRIBUCION DE LA RESISTENCIA EN LA VIA AEREA................................................ 196 RESISTENCIA DE LA VIA AEREA Y VOLUMEN PULMONAR ......................................... 198 CURVA FLUJO-VOLUMEN............................................................................................ 202 VOLUMENES RESIDUALES ........................................................................................... 203 COMPARACIÓN CAPACIDAD VITAL LENTA Y FORZADA............................................. 203 VOLUMEN ESPIRATORIO FORZADO DEL PRIMER SEGUNDO (VEF1).......................... 203 FLUJO ESPIRATORIO FORZADO ENTRE EL 25 Y 75% DE LA CAPACIDAD VITAL FORZADA O FLUJO MAXIMO DE MEDIA ESPIRACION................................................................. 205 FORMAS QUÍMICAS EN QUE SE TRANSPORTA EL CO2. ............................................. 206 Unidad respiratoria ..................................................................................................... 208 Membrana respiratoria............................................................................................... 208 Regulación de la actividad del centro respiratorio .................................................... 208 Regulación de la actividad del centro respiratorio y Vitalometria............................ 209 Sonido, Audición y Ondas sonoras................................................................................... 209 SONIDO........................................................................................................................ 209 AUDICIÓN. ................................................................................................................... 210 FÍSICA DEL SONIDO...................................................................................................... 210 PROPAGACIÓN DEL SONIDO (ONDAS SONORAS) ...................................................... 210 MAGNITUDES FÍSICAS DEL SONIDO............................................................................ 211 VELOCIDAD .................................................................................................................. 212 ENERGÍA SONORA ....................................................................................................... 212 LAS CUALIDADES DEL SONIDO.................................................................................... 214 VOZ HUMANA.............................................................................................................. 214 LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.................................................................. 215 LA LUZ COMO FENÓMENO ONDULATORIO................................................................ 216 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.................................................................. 218 CONCEPTOS RELATIVOS A LA LUZ. COLOR ................................................................. 222 LA FÍSICA DEL COLOR................................................................................................... 223 PROPIEDADES DE LA LUZ............................................................................................. 225 Sistema visual humano ............................................................................................... 227 Distribución de los fotorreceptores en el ojo................................................................. 227
  • 12. 12 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA ELEMENTOS DE LA FÍSICA NUCLEAR ........................................................................... 228 ......................................................................................................................................... 230 PRINCIPIOS DE LA BIOFÍSICA ¿Qué es la biofísica? La Biofísica es una sub-disciplina de la Biología que estudia los principios físicos subyacentes a todos los procesos de los sistemas vivientes. La biofísica es una ciencia reduccionista porque establece que todos los fenómenos observados en la naturaleza tienen una explicación científica predecible. Si nosotros no podemos explicar algunos fenómenos en la actualidad no se debe a que estos no tengan una explicación científica, sino que nosotros aún no tenemos los implementos necesarios para estudiar las causas subyacentes a esos fenómenos aún inexplicables. (Nahle, 2008) La vida es una función de estado que depende de procesos estocásticos a nivel microscópico (principios microfísicos) y determinísticos a nivel macroscópico (principios macrofísicos). Un sistema estocástico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes al azar. Un sistema determinístico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes reconocibles. Ambos tipos de procesos son los sujetos de estudio de la biofísica. (Nahle, 2008) La biofísica no es una rama de la física, sino de la biología. Hago esta aclaración porque en muchos libros de biofísica se dice que la biofísica estudia los fenómenos físicos que determinan los procesos vivientes o que la biofísica es el estudio de los fenómenos biológicos desde el punto de vista de la física, lo cual es erróneo. La biofísica explica los fenómenos biológicos aplicando los principios fundamentales de la naturaleza. (Nahle, 2008) Por ejemplo, la biofísica estudia los cambios de polaridad en los microtúbulos de un Paramecium, o la transferencia de energía de una partícula a otra dentro del complejo motor molecular conocido como ATP sintetasa, o la mecánica del esqueleto humano, o la dinámica de fluidos en un saltamontes, etc.Por supuesto, la biofísica se fundamenta
  • 13. 13 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA en los estudios proporcionados de la física; por ello, decimos que la biofísica es una ciencia interdisciplinaria. (Nahle, 2008) SISTEMAS En general, un sistema es una cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios. (Nahle, 2008) En biofísica, al igual que en termodinámica y mecánica cuántica, un sistema es un agregado de elementos incluidos entre límites reales o imaginarios. La diferencia entre ambos conceptos de sistema es que en el primero el sistema es tan solo un conglomerado de masa, mientras que el concepto biofísico incluye a los agregados de materia y a los elementos que constituyen un proceso dentro de límites estructurales y/o correspondientes a la fase espacio-tiempo. (Nahle, 2008) Un sistema termodinámico es aquél que puede intercambiar calor y energía con el ambiente. Los seres vivos son esencialmente sistemas termodinámicos. Por ejemplos, una hormiga es un sistema formado por moléculas, en tanto que sus funciones nerviosas es un sistema formado por una secuencia ordenada de procesos microfísicos. (Nahle, 2008) Los sistemas pueden clasificarse en los siguientes tipos: ➢ Sistemas abiertos, los cuales intercambian materia y energía con el ambiente. ➢ Sistemas cerrados, los cuales solamente intercambian energía con el ambiente, pero no materia. ➢ Sistemas aislados, los cuales no intercambian energía y materia con el ambiente. Estos sistemas son idealizados y no existen en el mundo real. Los seres vivientes son sistemas abiertos porque intercambian materia y energía con el ambiente. (Nahle, 2008) Existe un falso concepto sobre el sistema terrestre porque algunos autores han escrito que la Tierra es un sistema cuasi-cerrado, es decir que “casi” no intercambia materia con el espacio sideral. Esto es un error conceptual porque por más pequeña que sea la
  • 14. 14 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA cantidad de materia que el sistema intercambie con su entorno, el sistema será un sistema abierto. No existen sistemas casi cerrados en la naturaleza ni en las formulaciones matemáticas. (Nahle, 2008) RAMAS DE LA BIOFÍSICA Las ramas de la biofísica son las siguientes: Biomecánica: Estudia la mecánica del movimiento en los seres vivientes; por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el equilibrio anatómico, la mecánica de los fluidos corporales, la fabricación de prótesis móviles, etc. (Nahle, 2008) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https//:institutovalencianodelpie.es/biomecanica/ Bioelectricidad: Estudia los procesos electromagnéticos y electroquímicos que ocurren en los organismos vivientes así como también los efectos de los procesos electromagnéticos abióticos sobre los seres vivientes; por ejemplo, la transmisión de los impulsos neuroeléctricos, el intercambio iónico a través de las biomembranas, la generación biológica de electricidad (anguilas, rayas, etc.), la aplicación de la electrónica en biomedicina, etc. (Nahle, 2008)
  • 15. 15 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : http://revistasaludenarmonia.com/bioelectricidad/ Bioenergética (termodinámica biológica): Se dedica al estudio de las transformaciones de la energía que ocurren en los sistemas vivientes; por ejemplo, la captura de energía por los biosistemas, la transferencia de energía desde y hacia el entorno del biosistema, el almacenamiento de energia en la célula, etc. (Nahle, 2008) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : http://www.mantra.com.ar/contterapiasalternativas/bioenergetica.html Bioacústica: Investiga y aplica la transmisión, captación y emisión de ondas sonoras por los biosistemas. (Nahle, 2008)
  • 16. 16 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Shemberetskaya Alexandra Yuryevna blog Biofotónica: Estudia las interacciones de los biosistemas con los fotones; por ejemplo, la visión, la fotosíntesis, etc (Nahle, 2008). La biofotónica es la ciencia encargada del uso de la luz en aplicaciones biológicas y médicas para estudiar procesos orgánicos de manera no invasiva con el fin de conocer cómo éstos son afectados por la luz; así como para el diagnóstico y tratamiento de ciertas enfermedades. Presentamos una breve introducción a la biofotónica centrándonos en tres aplicaciones que estamos desarrollando en el INAOE: 1) terapia fotodinámica, 2) pinzas ópticas y, 3) visualización de vasos sanguíneos con moteado láser. (Rubén Ramos García, 2016)
  • 17. 17 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://www.revistaciencia.amc.edu.mx/images/revista/67_3/PDF/Biofotonica.pdf Radiobiología: Estudia los efectos biológicos de la radiación ionizante y la no ionizante y sus aplicaciones en las técnicas biológicas de campo y de laboratorio. (Nahle, 2008) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente: https://grupo2rbrp.wordpress.com/2012/02/14/tipos-de-decaimiento-radiactivo/ La formación del universo y el origen de la vida La formación del universo EL BIG BANG En Estrasburgo, en 1918, el astrónomo Karl Wirtz midió el desplazamiento sistemático hacia el rojo en la luz procedente de algunas nébulas y lo llamó K-correction aunque sin advertir las implicaciones cosmológicas que tenía su hallazgo. En 1927 el jesuita belga Georges Lemaître fue el primero en proponer que el universo había comenzado con la “explosión” de un “átomo Prístino”. En 1929, y basándose en la teoría de la relatividad, el astrónomo Edwin Hubble proveyó evidencia para soportar la hipótesis de Lemaître. La nueva tecnología permitió mediciones
  • 18. 18 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA precisas y cálculos que parecían imposibles. Hoy el “Big Bang” es el modelo estándar del origen del universo y sostiene que éste comenzó cuando un solo punto de materia infinitamente densa y caliente explotó en forma espontánea. Se cree que el punto era más pequeño que la cabeza de un alfiler y que explotó en un enorme borbotón de energía. De los desechos de esa explosión se formaron todas las galaxias, estrellas y planetas. Se cree que este evento que los astrofísicos llaman una “singularidad”, ocurrió en un momento hace unos quince mil millones de años. Las investigaciones que condujeron a la formulación actual del modelo fueron iniciadas por los astrónomos Arno Penzias y Robert Wilson (1964) cuando intentaban detectar microondas del espacio exterior. Accidentalmente descubrieron un ruido de origen extraterrestre. Lo extraño era que el ruido parecía provenir de todas las direcciones al mismo tiempo. Resultó obvio entonces que lo que se oía era radiación de todos los confines del universo que había quedado como residuo del Big Bang (D’Antoni, 2005) Creacionismo Al conjunto de creencias, inspiradas en doctrinas religiosas, según las cuales la Tierra y cada ser vivo que existe actualmente proviene de un acto de creación por uno o varios seres divinos, cuyo acto de creación fue llevado a cabo de acuerdo con un propósito divino. Durante la Edad Media, y hasta la actualidad, el término «creacionismo» ha servido en Teología para designar una de dos interpretaciones alternativas para el origen del alma personal, que cada alma es objeto de un acto especial de creación por Dios El propio Darwin usó en su correspondencia el término «creacionista» para referirse a sus opositores Durante mucho tiempo, época conocida como creacionismo clásico, el término no fue usado de manera general para designar la oposición al evolucionismo darwinista, que se designaba en otras formas. En 1929 el biólogo Harold W. Clark, un adventista del Séptimo Día, describió como Dr. Cecil Flores Balseca Página 9 creacionista la obra de su maestro George McCready Price en el título de un libro auto publicado. Durante algún tiempo el término sirvió para describir tanto a los teístas evolucionistas y a los fundamentalistas bíblicos que, como los dos autores citados, defendían la literalidad bíblica desde sus títulos universitarios en ciencias. (D’Antoni, 2005)
  • 19. 19 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA El origen de la vida La vida en nuestro planeta es toda la evidencia tangible de vida que tenemos. Es interesante analizarla desde la perspectiva de la Astrobiología. En primer término, nuestro planeta se formó a una distancia del Sol que le permite tener agua líquida, que se considera conditio-sine-qua-non para la vida. El origen de la vida puede fijarse en el momento en que las interacciones entre materia y energía produjeron sistemas autocatalíticos que pasan información de una generación a otra. PANSPERMIA En el siglo XIX, cuando la teoría cosmológica del estado estable estaba de moda, Lord Kelvin, Svante Arrhenius y otros grandes científicos creían que la transferencia de la vida de un planeta a otro era inevitable dadas la extensión y duración infinita del universo. Esta hipótesis se llamó Panspermia. En el siglo XX, el colosal desarrollo de la Biología y más tarde la idea del Big Bang hicieron olvidar a la Panspermia y los esfuerzos científicos se concentraron en el origen de la vida en la Tierra. Los experimentos de Urey y de Miller en los Estados Unidos, los de Oparin en la Unión Soviética y en NASA (D’Antoni, 2005) La biofísica y la medicina moderna La Biofísica está detrás de grandes avances en la práctica médica en general y quirúrgica en particular. Cita como ejemplos las técnicas de imagen, la fibra óptica, los bisturís de alta energía, o los órganos artificiales. En su opinión, en todos estos avances la Biofísica ha jugado y juega un papel fundamental. Él mismo vivió en primera persona esta fructífera relación durante su etapa como director del Hospital Gregorio Marañón, cuando puso en marcha una unidad avanzada de imagen cardiaca. El académico pronostica que todavía hay grandes avances por llegar, consecuencia de desarrollos biofísicos más recientes, como la microscopía óptica de alta resolución, galardonada con el Premio Nobel de Química de 2014. Bromeando, pero sólo en parte, se aventura a proponer que “la cirugía es un arte que desaparecerá en poco tiempo” como consecuencia de todos esos avances.La relación entre la Biofísica y la Medicina en España. En nuestra conversación, sale a menudo a colación que en España la comunicación entre disciplinas es difícil. Considera que en nuestro país faltan centros con masa crítica que faciliten la discusión entre personas con distinta experiencia. Y pone como ejemplo a imitar el Santa Fe Institute de Nuevo México, donde durante 30
  • 20. 20 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA años se ha posibilitado que pensadores con distinta formación interaccionen para intentar solucionar cuestiones complejas, como el comportamiento humano o la dinámica de la materia viva, y todo ello dejando a un lado las disciplinas tradicionales. Considera que el problema al que nos enfrentamos en España no viene tanto de la falta de recursos como de la voluntad de acercarnos a otros nichos del saber. Por ejemplo, en Estados Unidos es fácil encontrar estudiantes de medicina con interés por técnicas biofísicas; en España eso es mucho más raro. A los pocos que hay, el catedrático emérito les recomienda saltarse algunas de sus clases de la Facultad de Medicina, y acudir en su lugar a otras facultades: Matemáticas, Física, etc. Aboga por la especialización, pero siempre manteniendo la mente abierta para poner la experiencia adquirida en un contexto más amplio. El futuro. Según García Barreno, no podemos cometer el error de convertir la interdisciplinariedad en nuevas disciplinas. ¡Las disciplinas han muerto! Cita como ejemplo a seguir a Erez Lieberman Aiden, un científico de éxito que sin embargo no pertenece a ninguna disciplina, sino a los problemas que decide estudiar. De hecho, defiende la necesidad de un cambio estructural de la Universidad, en el que las facultades desaparezcan y dejen paso a unidades de investigación enfocadas hacia problemas concretos. En lo que respecta a la Biofísica, pronostica que su contribución será clave para avanzar en los retos científicos actuales, como la Biología Sintética, el Conectoma Cerebral, o la Ingeniería de la Biosfera. Sin embargo, también advierte del peligro al que se enfrenta: convertirse en una disciplina más. De hecho, su recomendación es que abandonemos el término Biofísica. “El peligro de las palabras es que tienen mucha fuerza y nos encorsetan”. Y concluye: “Los biofísicos sois más que eso”. (Cebollada, 2016) La ciencia : Método Científico La ciencia es el conjunto coordinado de explicaciones sobre el porqué de los fenómenos que observamos o sea, de las causas de esos fenómenos. Para construir la ciencia se investigan las causas y determina su ordenamiento. Este es el proceso de investigación que se define cómo: · Racional o reflexivo · En constante evolución y perfeccionamiento
  • 21. 21 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA · Busca resultados concretos · Sigue métodos controlados Por ciencia se puede entender cómo un proceso como un resultado en cuanto proceso, la ciencia es la aplicación del llamado método científico a la investigación de algún sector de la realidad. En cuanto resultados, la ciencia es un conjunto de conocimientos; racionales, sistemáticos, controlados y falibles. (OVIEDO, 2007) El método científico como "camino a seguir mediante una serie de operaciones, reglas y procedimientos fijos de antemano de manera voluntaria y reflexiva, para alcanzar un determinado fin que puede ser material o conceptual" reúne las siguientes características: a. Es Fáctico en el sentido de que los hechos son su fuente de información y respuesta. b. Trasciende los hechos c. Se atiene a reglas metodológicas d. Se vale de la verificación empírica e. Es auto correctivo y progresivo f. Sus formularios son de tipo general g. Es objetivo Gracias a la ciencia el hombre ha alcanzado una detallada reconstrucción del mundo a su manera más amplia perfecta e íntimamente. Por medio a ella el hombre somete a la naturaleza a sus necesidades transformándola así a un ambiente creado por el a la vez artificial en la cual actividades como investigación y la creación. (OVIEDO, 2007) Definiciones: El término ciencia deriva del latín SCIRE que significa saber, conocer, pero el verbo
  • 22. 22 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA latino SCIRE más que al saber alude a una forma de saber y a la acumulación de conocimiento. (OVIEDO, 2007) Algunas definiciones de ciencia son las siguientes: 1. Es el conjunto de ideas o cuerpo de ideas que el hombre crea en un mundo artificial, la cual surge por tratar de entender la naturaleza del mundo. 2. Es el conjunto coordinado de explicaciones sobre el porqué de los fenómenos que observamos, o sea, de las causas de esos fenómenos. ´ 3. Es un conjunto de conocimientos racionales, ciertos o probables, que obtenidos de manera metódica y verificados en su contrastación con la realidad se sistematizan orgánicamente haciendo referencia de objetos de una misma naturaleza, cuyos contenidos son susceptibles de ser transmitidos. El método científico es el modo ordenado de proceder para el conocimiento de la verdad, en el ámbito de determinada disciplina científica. A su vez, es un conjunto sistemático de criterios de acción y de normas que orientan el proceso de investigación. El conocimiento científico y las ciencias surgen como resultado de la aplicación del método científico = conocimiento científico investigativa. La Investigación científica + método científico = conocimiento científico = ciencia Las grandes categorías del método científico son: - Teoría – Tema – Objetivos e hipótesis Razonamiento - Realidad - Contrastación de hipótesis La aplicación del método científico no es rígido, ni lineal, pues la investigación es unir en espiral tortuosa e inserta dentro de una realidad dinámica y cambiante. Objeto De Estudio El método científico sirve para adquirir o comprobar los conocimientos de la ciencia. El método científico tiene por objeto averiguar la verdad de proposiciones. El método deductivo es el que mejor se adapta a las ciencias formales, pero cumple un importante papel en las empíricas. El método inductivo, a su vez, está especialmente destinado a las ciencias fácticas y tiene también cierta injerencia (aunque menor) en
  • 23. 23 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA las formales. El método de investigación para el conocimiento de la realidad observable, que consiste en formularse interrogantes sobre esa realidad, con base en la teoría ya existente, tratando de hallar soluciones a los problemas planteados. El método científico (MTC) se basa en la recopilación de datos, su ordenamiento y su posterior análisis. Tiene como fin determinar las reglas dela investigación y de la prueba de las verdades científicas. Engloba el estudio de los medios por los cuales se extiende el espíritu humano y ordena sus conocimientos. Toda ciencia tiene su método específico pero podemos encontrar ciertas características generales. El conocimiento científico parte de principios, sobre los cuales se basan dos actividades fundamentales de la ciencia: 1. Los principios se toman de la experiencia, pero pueden ser hipótesis o postulados 2. A partir de los principios la ciencia usa la demostración, para obtener conclusiones que forman el saber científico. (OVIEDO, 2007). Estructura de la materia: El Electrón, Protón ,Neutrón y Positrón Electrón Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos
  • 24. 24 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA El electrón es una de las pequeñísimas partículas que componen un átomo (o partículas subatómicas) junto a los protones y a los neutros. Los electrones quedan siempre por fuera del núcleo del átomo compuesto por una combinación de protones y neutrones. Para mostrar cuán pequeño es el electrón, podemos decir que su masa es 1/1836 veces la de del protón. El nombre de electrón proviene de la idea de que, gracias a su energía negativa, los mismos generan electricidad sobre el núcleo del átomo. (© Swinburne University of Technology, 2018). Protón Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos Un protón es una partícula cargada positivamente que se encuentra dentro del núcleo atómico. El número de protones en el núcleo atómico es el que determina el número atómico de un elemento, como se indica en la tabla periódica de los elementos. El protón tiene carga +1 (o, alternativamente, 1,602 x 10-19 culombios), exactamente lo contrario de la carga -1 que contiene el electrón. En masa, sin embargo, no hay competencia - la masa del protón es aproximadamente 1.836 veces mayor que la de un electrón. (© Swinburne University of Technology, 2018)
  • 25. 25 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Neutrón Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos Es una partícula subatómica sin carga, lo podemos encontrar en el núcleo atómico. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas denominadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba. Se mantienen estables por una interacción nuclear fuerte. (© Swinburne University of Technology, 2018) Positrón o electrón positivo
  • 26. 26 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : https://astronomy.swin.edu.au/cosmos Es una partícula elemental, antipartícula del electrón, posee la misma cantidad de masa y carga eléctrica sin embargo, esta es positiva. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos radioquímicas como parte de transformaciones nucleares. (© Swinburne University of Technology, 2018) Niveles de organización de la materia, hasta el cuerpo humano Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : biologia-geologia
  • 27. 27 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Para facilitar el estudio de un organismo tan complejo como el ser humano analizamos la materia viva desde lo más sencillo hasta lo más complejo, pero es necesario que lo consideremos como un todo formado a partir de otras partículas más sencillas que se unen para formar otras más complejas. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Pueden distinguirse varios niveles de complejidad o de organización del cuerpo humano: Nivel atómico. Los átomos son las partículas más pequeñas de materia que conservan las propiedades químicas del elemento químico al que pertenecen. Los átomos que constituyen la materia viva son los bioelementos. Como verás en Física y Química, los átomos están formados por otras partículas subatómicas, como los protones, neutrones y electrones. Los átomos más abundantes en los seres vivos son los bioelementos primarios, como el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S), que forman el 96% de la materia viva. Los bioelementos secundarios y oligoelementos son otros bioelementos pero mucho menos abundantes. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Nivel molecular. Los átomos se unen entre sí mediante enlaces químicos para formar una estructura más compleja, la molécula. Los bioelementos se agrupan para formar biomoléculas. Las biomoléculas más importantes son: Biomoléculas inorgánicas: presentes tanto en los seres vivos como en la materia inerte. Agua: formada por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Es el componente mayoritario de los seres vivos y tiene muchas funciones, como transportar moléculas, soporte de las reacciones químicas que se producen en el organismo, disolvente de moléculas, termorregulador, etc. Sales minerales: se pueden encontrar en estado sólido formando estructuras duras, como los huesos, dientes, conchas de moluscos, o disueltas, interviniendo en el mantenimiento del medio interno, y en muchas reacciones químicas, como la transmisión del impulso nervioso o la contracción de los músculos.
  • 28. 28 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Biomoléculas orgánicas: exclusivas de los seres vivos, ricas en carbono. Glúcidos: tienen función energética, como el almidón y el glucógeno, y otros, estructural, como la celulosa. Lípidos: tienen función energética, estructural (forman parte de la membrana celular), pero también actúan como hormonas o vitaminas. Proteínas: formadas por aminoácidos. Tienen función estructural, de transporte, hormonal, inmunológica, homeostática, enzimática,… Ácidos nucleicos: el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) se encargan de almacenar la información genética, que contiene la información sobre cómo somos, y los caracteres que tenemos. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Como ves, algunas moléculas se unen con otras para formar un nivel superior, el nivel macromolecular. Por ejemplo, cuando los monosacáridos se unen para formar glúcidos más complejos, o los aminoácidos se unen para formar proteínas. Las macromoléculas se unen para formar los orgánulos celulares. Por ejemplo, los lípidos y las proteínas se asocian para formar las membranas celulares. Todos estos niveles inferiores de organización de la materia son niveles abióticos pero, a partir del siguiente nivel, el nivel celular, comienzan los niveles bióticos, con vida. Niveles de organización de los seres vivos Nivel celular. La célula es la unidad básica de todos los seres vivos. Las moléculas y macromoléculas se agrupan para formar orgánulos y células, que son capaces de llevar a cabo las funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Por tanto, el nivel celular es el primero que tiene vida. Algunos ejemplos de células son los glóbulos blancos, las neuronas, las células musculares, etc. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Los seres unicelulares tienen este nivel de organización, pero los pluricelulares son más complejos.
  • 29. 29 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Tejido. Un tejido se forma por la asociación de células especializadas que tienen la misma estructura y función. Por ejemplo, el tejido óseo, el tejido sanguíneo, tejido muscular, etc. Actividad interactiva: ¿Qué es un tejido?. Órgano. Varios tejidos que colaboran para realizar una determinada función forman los órganos del cuerpo humano. Por ejemplo, el corazón está formado por tejido epitelial, nervioso y muscular, y su función es bombear sangre. El riñón, hígado, un hueso, los ovarios, serían otros ejemplos de órganos. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Sistema y aparato. Los órganos se asocian en estructuras superiores (aparatos y sistemas del cuerpo humano) para realizar una función vital determinada: Los aparatos están formados por la asociación de órganos muy diferentes entre sí, con distintas funciones, distintas estructuras, pero que colaboran juntos. Por ejemplo, el aparato digestivo está formado por órganos muy diferentes, como los dientes, lengua, o hígado, pero todos trabajan de modo coordinado en la digestión de los alimentos y absorción de los nutrientes. Los sistemas están formados por órganos formados por el mismo tipo de tejido, con la misma estructura, como es el sistema esquelético, nervioso o el muscular. Cada nivel de organización va formando estructuras más complejas, interaccionando con el resto hasta dar lugar al organismo, donde se integran todos los aparatos y sistemas que forman el individuo pluricelular, como una planta, un hongo, o el ser humano. (Materiales didácticos de Biología y Geología para el alumno de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO) y Bachillerato., 2015) Clasificación de los compuestos químicos Un compuesto es una sustancia formada por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica. Una característica esencial es que tiene una fórmula química. Por ejemplo, la cal es un compuesto formado por calcio y oxígeno en la razón de 1 a 1 (en número de átomos). (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014)
  • 30. 30 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA En general, esta razón fija es debida a una propiedad intrínseca. Un compuesto está formado por moléculas o iones con enlaces estables y no obedece a una selección humana arbitraria. Por este motivo el bronce o el chocolate son denominadas mezclas o aleaciones, pero no compuestos. Los elementos de un compuesto no se pueden dividir o separar por procesos físicos (decantación, filtración, destilación, sino sólo mediante procesos químicos. Naturaleza de los compuestos químicos (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Enlaces Los átomos en la molécula no pueden permanecer unidos sin enlaces. Existen dos tipos de enlaces: el covalente entre átomos, un ejemplo es el agua que esta unido mediante un enlace covalente polar; y el enlace iónico es entre iones, como por ejemplo el cloruro de sodio. Hay algunas excepciones representado por H2, es homonuclear, esto es, tiene átomos de un solo elemento. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Fórmula Los químicos describen los compuestos usando los símbolos químicos de los átomos enlazados. El orden de éstos en los compuestos inorgánicos va desde el más electronegativo a la derecha. Por ejemplo en el NaCl, el cloro que es más electronegativo que el sodio va en la parte derecha. Para los compuestos orgánicos existen otras varias reglas. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Clasificación Los principales compuestos químicos que existen en la actualidad son: Óxidos básicos, que están formados por un metal y oxígeno. Ejemplos: óxido plúmbico, óxido de litio. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Óxidos ácidos, formados por un no metal y oxígeno. Ejemplos: óxido hipocloroso, óxido selenioso. Hidruros, que pueden ser tanto metálicos como no metálicos. Están compuestos por un elemento e hidrógeno. Ejemplos: hidruro de aluminio, hidruro de sodio.
  • 31. 31 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Hidrácidos, son hidruros no metálicos que, cuando se disuelven en agua, adquieren carácter ácido. Por ejemplo, el ácido iodhídrico,. Hidróxidos, compuestos formados por la reacción entre un óxido básico y el agua, que se caracterizan por presentar el grupo oxidrilo (OH). Por ejemplo, el hidróxido de sodio, o sosa cáustica. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Oxoácidos, compuestos obtenidos por la reacción de un óxido ácido y agua. Sus moléculas están formadas por hidrógeno, un no metal y oxígeno. Por ejemplo, ácido clórico. Sales binarias, compuestos formados por un hidrácido más un hidróxido. Por ejemplo, el cloruro de sodio. Oxisales, formadas por la reacción de un oxácido y un hidróxido, como por ejemplo el hipoclorito de sodio. (García Belmar & Bertomeu Sánchez, 2014) Tabla periódica Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Michael Dayah Copyright
  • 32. 32 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico (número de protones),1 por su configuración de electrones y sus propiedades químicas. Este ordenamiento muestra tendencias periódicas, como elementos con comportamiento similar en la misma columna. (IUPAC, 30) En palabras de Theodor Benfey, la tabla y la ley periódica «son el corazón de la química —comparables a la teoría de la evolución en biología (que sucedió al concepto de la Gran Cadena del Ser), y a las leyes de la termodinámica en la física clásica—».2 Tabla periódica moderna, con 18 columnas. [Nota: Incluye los símbolos de los últimos cuatro nuevos elementos aprobados por la IUPAC: Nh, Mc, Ts y Og (28 de noviembre de 2016) (IUPAC, 30) Las filas de la tabla se denominan períodos y las columnas grupos. 4Algunos grupos tienen nombres. Así por ejemplo el grupo 17 es el de los halógenos y el grupo 18 el de los gases nobles.5 La tabla también se divide en cuatro bloques con algunas propiedades químicas similares.6 Debido a que las posiciones están ordenadas, se puede utilizar la tabla para obtener relaciones entre las propiedades de los elementos, o pronosticar propiedades de elementos nuevos todavía no descubiertos o sintetizados. La tabla periódica proporciona un marco útil para analizar el comportamiento químico y es ampliamente utilizada en química y otras ciencias. (IUPAC, 30) Dmitri Mendeléyev publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida. La desarrolló para ilustrar tendencias periódicas en las propiedades de los elementos entonces conocidos, al ordenar los elementos basándose en sus propiedades químicas,7 si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos.8 Mendeléyev también pronosticó algunas propiedades de elementos entonces desconocidos que anticipó que ocuparían los lugares vacíos en su tabla. Posteriormente se demostró que la mayoría de sus predicciones eran correctas cuando se descubrieron los elementos en cuestión. (IUPAC, 30) La tabla periódica de Mendeléyev ha sido desde entonces ampliada y mejorada con el descubrimiento o síntesis de elementos nuevos y el desarrollo de modelos teóricos nuevos para explicar el comportamiento químico. La estructura actual fue diseñada por Alfred Werner a partir de la versión de Mendeléyev. Existen además otros arreglos periódicos de acuerdo a diferentes propiedades y según el uso que se le quiera dar (en didáctica, geología, etc). (IUPAC, 30) Se han descubierto o sintetizado todos los elementos de número atómico del 1 (hidrógeno) al 118 (oganesón); la IUPAC confirmó los elementos 113, 115, 117 y 118 el 30 de diciembre de 2015,10 y sus nombres y símbolos oficiales se hicieron públicos el 28 de noviembre de 2016.3 Los primeros 94 existen naturalmente, aunque algunos solo se han encontrado en cantidades pequeñas y fueron sintetizados en laboratorio antes de ser encontrados en la naturaleza.n. 1 Los elementos con números atómicos
  • 33. 33 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA del 95 al 118 solo han sido sintetizados en laboratorios. Allí también se produjeron numerosos radioisótopos sintéticos de elementos presentes en la naturaleza. Los elementos del 95 a 100 existieron en la naturaleza en tiempos pasados pero actualmente no.11 La investigación para encontrar por síntesis nuevos elementos de números atómicos más altos continúa. La tabla periódica actual es un sistema donde se clasifican los elementos conocidos hasta la fecha. Se colocan de izquierda a derecha y de arriba abajo en orden creciente de sus números atómicos. Los elementos están ordenados en siete hileras horizontales llamadas periodos, y en 18 columnas verticales llamadas grupos o familias.59 Hacia abajo y a la izquierda aumenta el radio atómico y el radio iónico. Hacia arriba y a la derecha aumenta la energía de ionización, la afinidad electrónica y la electronegatividad. (IUPAC, 30) Grupos Ejemplo de tabla periódica (en lengua vietnamita), en la que figuran los tres sistemas de numeración de los grupos (IUPAC, 30) A las columnas verticales de la tabla periódica se las conoce como grupos o familias. Hay 18 grupos en la tabla periódica estándar. En virtud de un convenio internacional de denominación, los grupos están numerados de 1 a 18 desde la columna más a la izquierda —los metales alcalinos— hasta la columna más a la derecha —los gases nobles—.60 Anteriormente se utilizaban números romanos según la última cifra del convenio de denominación de hoy en día —por ejemplo, los elementos del grupo 4 estaban en el IVB y los del grupo 14 en el IVA—. En Estados Unidos, los números romanos fueron seguidos por una letra «A» si el grupo estaba en el bloque s o p, o una «B» si pertenecía al d. En Europa, se utilizaban letras en forma similar, excepto que «A» se usaba si era un grupo precedente al 10, y «B» para el 10 o posteriores. Además, solía tratarse a los grupos 8, 9 y 10 como un único grupo triple, conocido colectivamente en ambas notaciones como grupo VIII. En 1988 se puso en uso el nuevo sistema de nomenclatura IUPAC y se desecharon los nombres de grupo previos. (IUPAC, 30) Algunos de estos grupos tienen nombres triviales —no sistemáticos—, como se ve en la tabla de abajo, aunque no siempre se utilizan. Los grupos del 3 al 10 no tienen nombres comunes y se denominan simplemente mediante sus números de grupo o por el nombre de su primer miembro —por ejemplo, «el grupo de escandio» para el 3—, ya que presentan un menor número de similitudes y/o tendencias verticales. (IUPAC, 30) La explicación moderna del ordenamiento en la tabla periódica es que los elementos de un grupo poseen configuraciones electrónicas similares y la misma valencia, entendida como el número de electrones en la última capa. Dado que las propiedades
  • 34. 34 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA químicas dependen profundamente de las interacciones de los electrones que están ubicados en los niveles más externos, los elementos de un mismo grupo tienen propiedades químicas similares y muestran una tendencia clara en sus propiedades al aumentar el número atómico. (IUPAC, 30) • Grupo 1 (I A): metales alcalinos • Grupo 2 (II A): metales alcalinotérreos • Grupo 3 (III B): familia del escandio (tierras raras y actinidos) • Grupo 4 (IV B): familia del titanio • Grupo 5 (V B): familia del vanadio • Grupo 6 (VI B): familia del cromo • Grupo 7 (VII B): familia del manganeso • Grupo 8 (VIII B): familia del hierro • Grupo 9 (VIII B): familia del cobalto • Grupo 10 (VIII B): familia del níquel • Grupo 11 (I B): familia del cobre • Grupo 12 (II B): familia del zinc • Grupo 13 (III A): térreos • Grupo 14 (IV A): carbonoideos • Grupo 15 (V A): nitrogenoideos • Grupo 16 (VI A): calcógenos o anfígenos • Grupo 17 (VII A): halógenos • Grupo 18 (VIII A): gases nobles • • Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Michael Dayah Copyright Por ejemplo, los elementos en el grupo 1 tienen una configuración electrónica ns1 y una valencia de 1 —un electrón externo— y todos tienden a perder ese electrón al enlazarse como iones positivos de +1. Los elementos en el último grupo de la derecha son los gases nobles, los cuales tienen lleno su último nivel de energía —regla del octeto— y, por ello, son excepcionalmente no reactivos y son también llamados «gases inertes». Los elementos de un mismo grupo tienden a mostrar patrones en el radio atómico, energía de ionización y electronegatividad. De arriba abajo en un grupo, aumentan los radios atómicos de los elementos. Puesto que hay niveles de energía más llenos, los electrones de valencia se encuentran más alejados del núcleo. Desde la parte
  • 35. 35 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA superior, cada elemento sucesivo tiene una energía de ionización más baja, ya que es más fácil quitar un electrón en los átomos que están menos fuertemente unidos. Del mismo modo, un grupo tiene una disminución de electronegatividad desde la parte superior a la inferior debido a una distancia cada vez mayor entre los electrones de valencia y el núcleo. (IUPAC, 30) Hay excepciones a estas tendencias, como por ejemplo lo que ocurre en el grupo 11, donde la electronegatividad aumenta más abajo en el grupo.64 Además, en algunas partes de la tabla periódica como los bloques d y f, las similitudes horizontales pueden ser tan o más pronunciadas que las verticales. (IUPAC, 30) Períodos Las filas horizontales de la tabla periódica son llamadas períodos.68 El número de niveles energéticos de un átomo determina el periodo al que pertenece. Cada nivel está dividido en distintos subniveles, que conforme aumenta su número atómico se van llenando en este orden: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : Michael Dayah Copyright Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca según su configuración electrónica y da forma a la tabla periódica. (IUPAC, 30)
  • 36. 36 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Los elementos en el mismo período muestran tendencias similares en radio atómico, energía de ionización, afinidad electrónica y electronegatividad. En un período el radio atómico normalmente decrece si nos desplazamos hacia la derecha debido a que cada elemento sucesivo añadió protones y electrones, lo que provoca que este último sea arrastrado más cerca del núcleo.69 Esta disminución del radio atómico también causa que la energía de ionización y la electronegatividad aumenten de izquierda a derecha en un período, debido a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones.63 La afinidad electrónica también muestra una leve tendencia a lo largo de un período. Los metales —a la izquierda— generalmente tienen una afinidad menor que los no metales —a la derecha del período—, excepto para los gases nobles.70 La tabla periódica se puede también dividir en bloques de acuerdo a la secuencia en la que se llenan las capas de electrones de los elementos. Cada bloque se denomina según el orbital en el que el en teoría reside el último electrón: s, p, d y f.71n. 4 El bloque s comprende los dos primeros grupos (metales alcalinos y alcalinotérreos), así como el hidrógeno y el helio. El bloque pcomprende los últimos seis grupos —que son grupos del 13 al 18 en la IUPAC (3A a 8A en América)— y contiene, entre otros elementos, todos los metaloides. El bloque d comprende los grupos 3 a 12 —o 3B a 2B en la numeración americana de grupo— y contiene todos los metales de transición. El bloque f, a menudo colocado por debajo del resto de la tabla periódica, no tiene números de grupo y se compone de lantánidos y actínidos.72 Podría haber más elementos que llenarían otros orbitales, pero no se han sintetizado o descubierto; en este caso se continúa con el orden alfabético para nombrarlos. Así surge el bloque g, que es un bloque hipotético. (IUPAC, 30) Metales, metaloides y no metales[editar] De acuerdo con las propiedades físicas y químicas que comparten, los elementos se pueden clasificar en tres grandes categorías: metales, metaloides y no metales. Los metales son sólidos generalmente brillantes, altamente conductores que forman aleaciones de unos con otros y compuestos iónicos similares a sales con compuestos no metálicos —siempre que no sean los gases nobles—. La mayoría de los no metales son gases incoloros o de colores; pueden formar enlaces covalentes con otros elementos no metálicos. Entre metales y no metales están los metaloides, que tienen propiedades intermedias o mixtas.73 Metales y no metales pueden clasificarse en sub_categorías que muestran una gradación desde lo metálico a las propiedades no metálicas, de izquierda a derecha, en las filas: metales alcalinos —altamente reactivos—, metales alcalinotérreos —menos reactivos—, lantánidos y actínidos, metales de transición y metales post-transición. Los no metales se subdividen simplemente en no metales poliatómicos —que, por estar más cercanos a los metaloides, muestran cierto carácter metálico incipiente—, no metales diatómicos —que son esencialmente no metálicos— y los gases nobles, que son monoatómicos no metálicos y casi completamente inertes. Ocasionalmente también se señalan subgrupos dentro de los metales de transición, tales como metales refractarios y metales nobles. (IUPAC, 30)
  • 37. 37 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA La colocación de los elementos en categorías y subcategorías en función de las propiedades compartidas es imperfecta. Hay un espectro de propiedades dentro de cada categoría y no es difícil encontrar coincidencias en los límites, como es el caso con la mayoría de los sistemas de clasificación.76 El berilio, por ejemplo, se clasifica como un metal alcalinotérreo, aunque su composición química anfótera y su tendencia a formar compuestos covalentes son dos atributos de un metal de transición químicamente débil o posterior. El radón se clasifica como un no metal y un gas noble aunque tiene algunas características químicas catiónicas más características de un metal. También es posible clasificar con base en la división de los elementos en categorías de sucesos, mineralógicos o estructuras cristalinas. La categorización de los elementos de esta forma se remonta a por lo menos 1869, cuando Hinrichs escribió que se pueden extraer líneas sencillas de límites para mostrar los elementos que tienen propiedades similares, tales como metales y no metales, o los elementos gaseosos. (IUPAC, 30) Estados de la materia: solido, líquido y gaseoso Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente : www.portaleducativo.net Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. La materia está formada, como sabemos, por partículas muy pequeñas. (Vergara, 2012) La intensidad de las fuerzas de cohesión entre las partículas que constituyen un sistema material (porción de materia que pueda delimitarse y ser estudiada en forma individual) determina su estado de agregación. Cuando un sistema material cambia de estado de agregación, la masa permanece constante, pero el volumen cambia.
  • 38. 38 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases. Seguramente ya habías escuchado sobre los tres estados (o formas de agregación) de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, existe un cuarto estado denominado plasma y un quinto estado, el Condensado de Bose-Einstein. (Vergara, 2012) Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, solo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso: 1.1- Los sólidos: En los sólidos, las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fijas en su lugar; solo vibran unas al lado de otras. Propiedades: - Tienen forma y volumen constantes. - Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. - No se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos. - Se dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y se contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían. (Vergara, 2012) 1.2- Los líquidos: las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y chocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras. Propiedades: - No tienen forma fija pero sí volumen. - La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.
  • 39. 39 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA - Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene. - Fluyen o se escurren con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente; por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos. (Vergara, 2012) - Se dilatan y contraen como los sólidos. 1.3- Los gases: En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias. (Vergara, 2012) Propiedades: - No tienen forma ni volumen fijos. - En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión. - El gas adopta el tamaño y la forma del lugar que ocupa. - Ocupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene. - Se pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen. - Se difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas. - Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos. 1.4- Plasma: Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos. (Vergara, 2012) El plasma, es así, una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad. (Vergara, 2012) Un ejemplo de plasma presente en nuestro universo es el sol. Otros ejemplos: Plasmas terrestres: - Los rayos durante una tormenta.
  • 40. 40 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA - La ionosfera. - La aurora boreal. Plasmas espaciales y astrofísicos: - Las estrellas (por ejemplo, el Sol). - Los vientos solares. - El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias). (Vergara, 2012) - Los discos de acrecimiento. - Las nebulosas intergalácticas. - Ambiplasma 1.5- Estado Condensado de Bose-Einstein: Representan un quinto estado de la materia visto por primera vez en 1955. El estado lleva el nombre de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quien predijo su existencia hacia 1920. Los condensados B-E son superfluídos gaseosos enfriados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273 ° C o −459,67 °F). (Vergara, 2012) En este estado, todos los átomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecánico-quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. (Vergara, 2012) Para hacernos una idea de lo que sería un objeto cotidiano estando en estado de Bose- Einstein, proponemos imaginar que varias personas estuvieran sentadas en la misma silla, no una sentada sobre otra, sino literalmente todas sentadas en la misma silla, ocupando el mismo espacio en el mismo momento. (Vergara, 2012) Dato curioso: El estado de Bose-Einstein se podría considerar el estado 0 de la materia, ya que se da en partículas bosónicas (o que se comportan como las mismas) cuando se acercan al cero absoluto, que es la menor temperatura que un cuerpo puede alcanzar. (Vergara, 2012) Fenómenos Biofísicos Moleculares
  • 41. 41 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Es todo cambio o transformación que se produce en la naturaleza, puede darse por diversos factores, tanto físicos, químicos y biofísicos moleculares. Fenomenos Fisicos Son los cambios que va a sufrir un cuerpo, materia o sustancia sin alterar su composición y ocurren cuando se lleva a cabo un proceso o cambio, que puede ser reversible, sin perder sus características, propiedades ni modificar su naturaleza. (Parra, 2013) Entre las características que podemos encontrar tenemos: • El cambio que experimenta el cuerpo, materia o sustancia es reversible. • Se puede observar el cambio. • El cuerpo, la materia o sustancia no cambia. Ejemplo: Cuando un cuerpo se traslada de un punto a otro. Fenómenos Químicos Es la transformación permanente e irreversible que sufren los cuerpos, materias o sustancias. Es decir, uno o varios de estos desaparecen y se forman uno o varios cuerpos, materias o sustancias nuevas, ya que se modifica su estructura molecular. (García, 2016) Ejemplo: La respiración, el cual consiste en la entrada de oxígeno al cuerpo de un ser vivo y la salida de dióxido de carbono del mismo. Fenómenos Biofísicos Moleculares Son procesos que se realizan en los seres vivos, los cuales se basan en leyes físicas y físico-químicas dando lugar a la formación de dichos fenómenos. Los fundamentos moleculares de la Biofísica se rigen en las biomoléculas, o macromoléculas, y su funcionamiento en todo aspecto. Entre estos encontramos:
  • 42. 42 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA • Tensión Superficial. • Presión Hidrostática. • Adhesión. • Cohesión. • Capilaridad y acción capilar. • Osmosis. • Difusión. • Diálisis. • Absorción y adsorción. 1. Tensión Superficial La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Ejemplo: Los pulmones contienen unos 300 millones de alveolos, éstos se sitúan al final de la unidad respiratoria y es donde se produce el intercambio gaseoso entre atmósfera y organismo, y viceversa, sistema por el cual conseguimos O2, nutriente vital, y eliminamos el CO2, un desecho metabólico. Para que se pueda llevar esta difusión de gases el espacio entre alveolo y capilar sanguíneo deberá ser ínfimo además de presentar unas características determinadas para hacer posible este hecho. Durante la ventilación pulmonar el tejido que forma los pulmones se distiende y se comprime para que puedan entrar y salir los distintos gases implicados en el proceso, al reducir su tamaño, según la ecuación de Laplace, la presión sobre los alveolos aumenta enormemente, corriendo el riesgo de sufrir el colapso del alveolo. (Fernández, 2014) 2. Presión Hidrostática. Es la que se manifiesta en el interior de toda masa líquida, provocada por el peso de la columna de líquido que debe soportar un cuerpo sumergido. Por ejemplo, la presión
  • 43. 43 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA arterial, en la cual la sangre que circula constantemente por los vasos ejerce presión sobre las paredes vasculares. La presión viene determinada por la fuerza de bombeo del corazón y la elasticidad de los vasos. (Castro, 2013) 3. Ahesión Es la atracción de moléculas de un tipo por moléculas de otro tipo, y para el agua puede ser bastante fuerte, especialmente cuando las otras moléculas tienen cargas positivas o negativas. Por ejemplo: las articulaciones que forman el hombro. (Paz, 2010) 4. Cohesión Se refiere a la atracción que tienen las moléculas por otras de su mismo tipo, y las moléculas de agua tienen fuerzas cohesivas fuertes gracias a su habilidad para formar puentes de hidrógeno entre ellas. Ejemplo: Ayuda a que la sangre se forme en gotas (Paz, 2010) 5. Capilaridad y acción capilar • Capilaridad: Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial, que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Ejemplo: Hace fluir la sangre en las arterias. (Sánchez, 2011) • Acción Capilar: Movimiento del agua dentro de los espacios de un material poroso, debido a las fuerzas de adhesión y a la tensión de la superficie. Ejemplo: Ayuda a la acción de bombeo que ejecuta su corazón al mantener su sangre moviéndose dentro de sus vasos sanguíneos. (Ponce, 2015) 6. Osmosis Es un mecanismo biológico de transporte pasivo, mediante el que moléculas de H2O (Agua), traspasan la membrana celular desde el medio hipotónico al medio hipertónico, sin consumo alguno de energía. Este fenómeno aparece cuando la concentración interna y externa de la célula está en desequilibrio, es decir, cuando la célula no se encuentra en un medio isotónico. (Chang, 2014) La membrana celular es conocida por su propiedad de permeabilidad selectiva o semi- permeabilidad, lo que significa que sólo permite el paso de ciertas partículas a través de sus poros. Cuando la membrana separa dos medios en desequilibrio, ocurre que las
  • 44. 44 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA moléculas de agua que se encuentran en el medio de menor concentración atraviesan la membrana celular y pasan al medio de mayor concentración, es decir, a favor del gradiente de concentración. La ósmosis está íntimamente relacionada con otros dos fenómenos celulares importantes denominados Turgencia y Plasmólisis. • Turgencia: Éste fenómeno celular se produce cuando la célula es sometida a un medio con una concentración menor a la concentración propia, causando que mediante ósmosis, el agua contenida en el medio hipotónico traspase la membrana plasmática y entre a la célula. Es la ganancia de agua por parte de la célula. La turgencia causa que la célula se hinche de agua hasta explotar. En los glóbulos rojos del cuerpo humano, este fenómeno causa la Hemólisis, o destrucción de los mismos. La hemólisis se produce en el bazo, y menormente en la médula ósea y el hígado. • Plasmólisis: Éste fenómeno celular se produce cuando la célula es sometida a un medio con una concentración mayor a la concentración propia, lo que causa que mediante ósmosis, el agua contenida en la célula traspase la membrana plasmática hacia el medio hipertónico, es decir, es la pérdida de agua por parte de la célula. La plasmólisis causa que la célula se deshidrate y se contraiga hasta morir. 7. Difusión Es el movimiento de las moléculas de una concentración más alta a una más baja; esto quiere decir que baja su gradiente de concentración hasta que se logra el equilibrio y se distribuyen de manera equivalente. (Jara, 2015) • Difusión Simple: Es el intercambio de sustancias disueltas, que son de muy bajo peso molecular, cuanto menor tamaño molecular y mayor carácter hidrófobo, mejor difunde una sustancia a través de la membrana. Es la difusión de agua, gases disueltos o moléculas liposolubles por la capa doble de fosfolípidos de la membrana citoplasmática. Es el movimiento de las moléculas en el fluido, desde las regiones de alta concentración hasta las de menor concentración, como es el caso del agua, gases disueltos (oxigeno, dióxido de carbono) y moléculas liposolubles (alcohol etílico y la vitamina A) que cruzan la membrana con facilidad.
  • 45. 45 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA • Difusión facilitada: Esta atraviesa la membrana de sustancias que requieren la mediación de proteínas de membrana que las reconocen específicamente y permiten su paso sin que lleguen a tomar contacto directo con los lípidos hidrofóbicos. Se puede transportar un soluto específico desde el interior de la célula al exterior o viceversa, pero el movimiento neto es siempre desde una región de mayor concentración de soluto a una de menor concentración. Las proteínas de canal y las proteínas transportadoras facilitan la difusión por diferentes mecanismos. • Las proteínas implicadas en la difusión mediada son largas cadenas polipeptídicas y pueden ser de dos clases, proteínas transportadoras y proteínas de canal. • La difusión mediada por permeasas implica la unión específica de la sustancia a la proteína en una cara de la membrana. • La difusión mediada por proteínas de canal éstas no se unen a la sustancia. Permiten principalmente el paso de iones a mucha mayor velocidad que las permeasas. 8. Diálisis Proceso de separación de las partículas coloidales, en función de su tamaño, a través de una membrana dializadora. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales. Cuando la membrana que separa dos disoluciones deja pasar, además de agua, los solutos de menor tamaño, se produce el fenómeno denominado diálisis. Las moléculas de bajo peso molecular pasan desde la disolución en la que se encuentran en mayor concentración hacia la disolución en la que se encuentran en menos concentración. (Sanz, 2015) La hemodiálisis es el tratamiento que se emplea para limpiar la sangre en casos de insuficiencia mediante el uso de un filtro y un líquido de diálisis generado por un riñón artificial.
  • 46. 46 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA 9. Absorción y adsorción • Absorción: La absorción es el fenómeno de sorción en el que átomos, moléculas o iones pasan de una fase fluida (líquido o gas) a otra fase que puede ser fluida o sólida. En la absorción hay transferencia de materia de una fase A (absorbato) a una fase B (absorbente), la sustancia absorbida difunde en el material absorbente y queda disuelta o dispersa en el. Esta implica que la concentración de absorbato aumenta en la fase absorbente, la cual aumenta de masa y volumen. La absorción suele darse por procesos físicos, como la disolución de absorbato en el absorbente, pero también químicos, cuándo el absorbato sufre una reacción química con algún componente del absorbente. Desde un punto de vista termodinámico, el proceso de absorción es endotérmico, pues implica que el absorbente capture y transforme energía al distribuir el absorbato en su propia masa y volumen. (Díaz, 2010) • Adsorción: Es el fenómeno de sorción en el que una sustancia A (adsorbato) presente en una fase fluida (líquido o gas) queda adherida a la superficie de una sustancia B en fase sólida (adsorbente). No hay transferencia de masa entre las fases, sino que el adsorbato crea una capa superficial sobre el adsorbente. La adsorción se puede producir también por fenómenos físicos o químicos. Por ejemplo, el adsorbato puede quedar fijado en la superficie por atracción eléctrica o por fuerzas de van der Waals, ambos fenómenos físicos, pero también puede quedar adherido por formación de un enlace químico, es decir, con intercambio de electrones. La adsorción es un fenómeno exotérmico que ocurre de forma espontánea hasta que el adsorbente queda saturado. (Amparo, 2011)
  • 47. 47 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Elasticidad y resistencia de los tejidos humanos Autor: Jorge Eduardo Mocoso Chuchuca Fuente: https://www.definicionabc.com/general/elasticidad.php La elasticidad es una propiedad que también se encuentra en muchos órganos, tejidos y músculos de los organismos, teniendo esto relación con la capacidad de crecer y volverse elásticos de acuerdo a diferentes situaciones. Un ejemplo claro de órgano elástico es la del estómago, que puede aumentar varias veces su tamaño original para luego volver a su estado de reposo luego de haberse realizado el proceso de alimentación. Normalmente, en el caso de los órganos y músculos, la elasticidad tiene que ver con una correcta hidratación ya que la ausencia de agua (como sucede con la piel) resquebraja y atrofia a los diferentes tejidos. La resistencia es la tendencia de un material a resistir el flujo de corriente y es específica para cada tejido, dependiendo de su composición, temperatura y de otras propiedades físicas. . (Amparo, 2011) Los nervios, encargados de transmitir señales eléctricas, los músculos, y los vasos sanguíneos con su alto contenido en electrolitos y agua son buenos conductores. Los huesos, los tendones y la grasa tienen una gran resistencia y tienden a calentarse y coagularse antes que transmitir la corriente. . (Amparo, 2011)
  • 48. 48 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA Alrededor de 85% de la masa muscular esquelética del ser humano está compuesta por fibras musculares propiamente dichas. Magnitudes y medidas Las unidades medidas más utilizadas en la medicina. Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc. Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene. Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro. (Miñarro, 2014) Autor : Jorge Eduardo Moscoso Chuchuca Fuente: blogts Jean Alvarado El 15% restante está formado en gran parte por tejido conectivo compuesto en cantidades variables por fibras colágenas, reticulares y elásticas Fibras colágenas. Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno. Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del
  • 49. 49 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes. Fibras elásticas. Son más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina. Al igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse hasta el 150% de su longitud. (Miñarro, 2014) Por lo tanto, el tejido conectivo constituye una estructura de elementos simples y, en su mayoría, semejantes a muelles, es decir, los componentes elásticos del musculo. Materia y energía La Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Las transformaciones de la Energía tienen lugar en la alimentación de los seres vivos, en la dinámica de nuestra atmósfera y en la evolución del Universo. (Miñarro, 2014) Todos los procesos naturales que acontecen en la materia pueden describirse en función de las transformaciones energéticas que tienen lugar en ella. (Miñarro, 2014) Las leyes de la Termodinámica y su relación con los seres vivos incluidos los seres humanos. En biofísica los organismos vivos son conocidos por el nombre de biosistemas o biontes, Los seres inertes o abióticos simplemente se designan con el nombre de sistemas. Sería bueno que se familiarizara con estos términos para que logre hacer la diferencia sin recurrir a un exceso de palabras. (Cebollada, 2016) Puesto que los biontes son sistemas termodinámicos, ellos dependen de las mismas leyes físicas a las que la materia inerte está sujeta. Los algoritmos de transferencia de calor que son aplicables en los procesos en sistemas inertes también son aplicables en los biosistemas. Así, las leyes que aprendimos en los artículos sobre transferencia de
  • 50. 50 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA calor y calor almacenadopor sistemas inertes son también funcionales para los biosistemas. (Nahle, 2008) Las vías de transferencia de calor que ocurren en los biosistemas son exactamente las mismas que ocurren en la naturaleza abiótica (abiótico significa sin vida). Luego pues, podemos aplicar los procedimientos matemáticos y leyes físicas que gobiernan a la materia inerte en los procesos de los biosistemas. (Nahle, 2008) Comenzaremos con los enunciados de las leyes de la termodinámica y las definiciones y fórmulas de transferencia de calor. 1. LEYES Y FÓRMULAS GENERALES: Primera Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma de una clase en otra. Una segunda versión del enunciado de la primera ley de la termodinámica es la siguiente: La energía no se crea ni se destruye, solamente cambia de un estado cuántico a otro. (Nahle, 2008) La expresión matemática de la primera ley de la termodinámica es la siguiente: ΔU = ΔQ – ΔW En donde ΔU es el incremento en la energía interna de un sistema termodinámico dado, ΔQ es la cantidad de calor aplicado al sistema termodinámico, y ΔW es el cambio en la cantidad de trabajo realizado por el mismo sistema termodinámico La formula significa que el cambio de la energía interna de un sistema es igual al calor transferido desde ese sistema, descontando el trabajo hecho por ese sistema en su ambiente. (Nahle, 2008) Segunda Ley de la Termodinámica: En toda transformación de una forma de energía a otra forma de energía, una cantidad de energía siempre es dispersada hacia otros estados, generalmente en forma de calor. La expresión matemática de la segunda ley de la termodinámica es la siguiente:
  • 51. 51 JORGE EDUARDO MOSCOSO CHUCHUCA ΔS/Δt ≥ 0 En donde ΔS es el incremento de la entropía, y Δt es el tiempo durante el cual se realizó dicho incremento. (Nahle, 2008) La formula denota que el cambio en la entropía de un sistema termodinámica siempre es más alta o igual que cero, y que el tiempo es la dimensión fundamental en la cual el sistema está realizando trabajo. La formula nos permite deducir otras conceptualizaciones de la segunda ley, las cuales significan lo mismo, por ejemplo: 1. Ningún sistema puede transformar energía en formas útiles de energía con una eficiencia del 100 por ciento. 2. La energía no puede difundirse espontáneamente desde estados de baja densidad hacia otros estados de alta densidad. 3. El calor nunca es transferido espontáneamente desde sistemas fríos hacia sistemas calientes. 4. La entropía, considerada como la medida del desorden en un sistema termodinámico, se incrementa constantemente a través del tiempo. (Nahle, 2008) 2. FÓRMULAS GENERALES PARA CALCULAR TRANSFERENCIA DE CALOR. CONDUCCIÓN: Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sitema o de otros sistemas en contacto con temperaturas más bajas. Las moléculas con una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más calor (energía potencial -absorbe calor- <--> energía cinética -emite calor). (Nahle, 2008)